- HZDR ve Synchrotron SOLEIL araştırmacıları kompakt lazer-plazma serbest elektron lazerinde (FEL) ilk kararlı ve tekrarlanabilir yüksek kazanç rejimini elde etti.
- Sistem, 272 nanometre dalga boyunda yüksek darbe enerjili ultraviyole ışık üretti ve ışınım gücünde üstel artış gözlemlendi.
- Araştırmacılar, bulguların doğrulanması ve geliştirilmesi durumunda bu teknolojinin gelecekte çip üretiminde kalite kontrolüne katkı sağlayabileceğini belirtiyor.
Kompakt Lazer Sistemlerinde Kararlılık Adımı
Atomları, molekülleri ve yeni malzemeleri inceleyen bilim insanları, ışığı bir fotoğrafçının flaşı kullanması gibi kullanır; konularını son derece kısa ve yoğun ışık patlamalarıyla aydınlatırlar. Bu flaşlar serbest elektron lazeri (free-electron laser, FEL) adı verilen makinelerden gelir ve bu tesislerdeki deneylere olan talep genellikle uzun bekleme sürelerine yol açar. Almanya’daki Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ve Paris yakınlarındaki Synchrotron SOLEIL’den araştırmacılar, bu talebi gelecekte karşılamaya yardımcı olabilecek kompakt bir tasarımdaki güvenilirlik sorununun üstesinden geldi.
Physical Review Letters dergisinde yayımlanan çalışmada ekip, bir lazer-plazma FEL’in yüksek kazanç rejiminde ilk kararlı ve tekrarlanabilir çalışmasını bildiriyor. Bu rejim, üretilen ışığın güçlü bir şekilde güçlendirildiği bir durumu ifade ediyor. Geleneksel FEL’ler elektronları neredeyse ışık hızına kadar hızlandırmak için yaklaşık iki kilometreye (1,2 mil) kadar uzanabilen ekipman kullanırken, lazer-plazma FEL bu enerjiyi elektronların atomlardan ayrıldığı bir gaz olan plazma yoluyla sağlıyor.
Elektronlar Plazma Dalgasında Nasıl İlerliyor
Synchrotron SOLEIL’den Dr. Marie Labat, “Bir lazer-plazma FEL’de bu mesafe yaklaşık bin kat azaltılabilir” diyor ve “Elektronlar etkili bir şekilde bir plazma dalgasının üzerinde sörf yapıyor” şeklinde açıklıyor. Yalnızca birkaç milimetre içinde elektronlar, geleneksel bir makinede birçok metrelik hızlandırma gerektirecek enerji seviyelerine ulaşabiliyor. Bu sürecin güvenilir kalabilmesi için lazer ve plazma arasındaki, basit ve orantılı davranış değişiklikleri üretmeyen doğrusal olmayan etkileşimler üzerinde hassas kontrol gerekiyor.
Ekip, HZDR’nin yüksek performanslı DRACO lazerinden gelen kızılötesi darbeleri, milimetre kalınlığında ince bir gaz akışında plazma oluşturmak için kullandı. HZDR’den fizikçi Dr. Susanne Schöbel, “Lazeri plazma ile eşleşecek şekilde hassas biçimde ayarlamayı başardık” diyor. Hızlandırılan elektronlar daha sonra, elektronları dalgalı bir yol boyunca zorlayan bir mıknatıs dizisi olan ondülatöre (undulator) giriyor. Elektronlar ışık yayıp onunla etkileşime girdikçe küçük demetler halinde toplanarak, dalgaları birbiriyle uyumlu olan yoğun ve tutarlı ışık flaşları üretiyor.
Yüksek Kazanç Rejiminin İşareti
Schöbel, “İyi kontrol edilen elektron demeti sayesinde, ondülatörümüzü kullanarak yoğun ultraviyole ışık flaşlarını kararlı ve tekrarlanabilir bir şekilde üretebildik” diyor. Sistem, 272 nanometre dalga boyunda yüksek darbe enerjili ultraviyole darbeler üretti; ölçümler ise ışınım çıkış gücünde üstel bir artış gösterdi. Bu durum, yüksek kazanç rejiminin karakteristik işareti olarak tanımlanıyor.
HZDR’nin Radyasyon Fiziği Enstitüsü’nden Dr. Arie Irman, “Bu, 2023’te yayımladığımız sonuçlara kıyasla önemli bir ilerleme” diyor. Irman, “Kararlılık -yani saatler hatta günler boyunca sürekli olarak yüksek kalitesini koruyan ışık flaşları- FEL içeren tüm deneyler için son derece önemlidir” şeklinde belirtiyor. Büyük ölçekli geleneksel tesisler bu kararlılığı uzun süredir sağlarken, lazer-plazma yaklaşımını güvenilir hale getirmek ekibin yıllar süren araştırmasını gerektirdi.
| Özellik | Geleneksel FEL | Lazer-Plazma FEL |
|---|---|---|
| Hızlandırma mesafesi | Yaklaşık 2 kilometre (1,2 mil) | Yaklaşık 1000 kat azaltılmış (milimetre ölçeğinde) |
| Üretilen dalga boyu | – | 272 nanometre (ultraviyole) |
| Önceki sonuçlara göre ilerleme | – | 2023’teki sonuçlara kıyasla önemli ilerleme |
Lazer ve Plazma Arasındaki Sonraki Hedef: Aşırı Ultraviyole Işık
Araştırmacılar, lazer ve plazma arasındaki etkileşimi ve elektronların ondülatör boyunca izlediği yolu daha da iyileştirerek ışık darbelerini geliştirmeyi planlıyor. Kompakt lazer-plazma FEL’lerin büyük araştırma tesislerini tamamlayıcı hale gelmesi için hala birkaç yıl gerekiyor ve ekip ayrıca daha kısa dalga boylarında ışık üretmeye yönelik çalışmalarını sürdürüyor. Irman, “Bu ultraviyole dalga boyundaki ışık flaşları sadece bir başlangıç” diyor. Araştırmacıların bir sonraki hedefi, nanometre ölçekli yapılara sahip bilgisayar çiplerinin daha verimli kalite kontrolünü destekleyebilecek aşırı ultraviyole (extreme ultraviolet, EUV) ışık üretimi.
Kaynak: scitechdaily.com
