柏林弗里茨哈伯研究所二色红外自由电子激光器的布局。来源:富士重工

柏林马克斯普朗克学会的弗里茨哈伯研究所(FHI)取得了一个技术里程碑。红外自由电子激光器首次在双色模式下工作。这项全球独一无二的技术使同步双色激光脉冲实验成为可能，为研究开辟了新的可能性。

自由电子激光器，全世界有十多种，在尺寸(从几米到几公里)，波长范围(从微波到硬x射线)和成本(从数百万到超过10亿)方面差异很大。然而，它们都会产生强烈而短的辐射脉冲。近几十年来，自由电子激光器已成为重要的辐射源，在基础研究和应用科学中得到了广泛的应用。

FHI的研究人员现在已经与美国合作伙伴开发了一种方法，可以同时产生两种不同颜色的红外脉冲。这一创新对于研究固体和分子的时间过程尤为重要。在自由电子束流中，电子束首先被电子加速器加速到非常高的动能，达到接近光速。然后，快速电子通过一个波动器，在周期性极性变化的强磁场的作用下，它们被迫进入一个类似回旋的路径。电子的振荡导致电磁辐射的发射，其波长可以通过调整电子能量和/或磁场强度来改变。由于这个原因，FELs可以在电磁频谱的几乎所有部分产生类似激光的辐射，从长太赫兹到短x射线波长。自2012年以来，FHI的FEL一直在运行，产生强烈的脉冲辐射，在中红外(MIR)范围内，波长从2.8到50微米连续可调。近年来，FHI的科学家和工程师们一直致力于双色扩展，其中安装了第二个FEL分支，以产生波长在5到170微米之间的远红外(FIR)辐射。FIR-FEL分支包括一个新的混合磁体波动器，这是在FHI专门建造的。此外，在电子直线加速器(LINAC)后面安装了一个500 mhz的电子横向偏转踢腔。踢球腔可以以每秒10亿次的速度改变高能电子束的方向。2023年6月，FHI团队演示了新型FIR-FEL的第一次“激光”，将来自LINAC的所有电子束引导到FIR-FEL。2023年12月，他们首次演示了双色操作。在这种模式下，在踢子腔中形成的强振荡电场每隔一秒就会使电子束向左偏转，每隔一秒就会使电子束向右偏转。这样，高重复频率(1ghz;来自LINAC的1束/ ns)电子束序列被分成两个束列，每个束列的重复率为一半;一个被引导到旧的MIR-FEL，另一个被引导到新的FIR-FEL。在每个FEL中，通过改变波动器磁场强度，可以实现波长的连续调谐，最高可达四倍。大约十年来，FHI- fel使FHI的研究小组能够进行从团团，纳米颗粒和生物分子的气相光谱到非线性固态光谱和表面科学的实验，迄今为止产生了大约100篇同行评审的出版物。

新的双色模式是世界上任何其他红外FEL设施都无法提供的，它将使MIR/MIR和MIR/FIR泵浦探针实验等新颖实验成为可能。这将为物理化学、材料科学、催化研究和生物分子研究等不同领域的实验研究开辟新的机会，从而为新材料和新药物的开发做出贡献。