Физики измерили характеристики первого в мире рентгеновского лазера

Международная группа впервые на практике измерила когерентность первого в мире жесткого рентгеновского лазера. Статья ученых появилась в журнале Physical Review Letters, а ее краткое изложение приводит Physical Review Focus.
Линейный источник когерентного света (Linac Coherent Light Source или LCLS) с длиной волны 0,15 нанометра заработал в 2009 году, однако характеристики его луча до сих пор были известны лишь приближенно из математических моделей. В рамках нового исследования, ученые пропускали импульс лазера через пару щелей (расстояние между щелями варьировалось от раза к разу) в кремниевой пластине и фиксировали дифракционную картину.

Так как импульс сильно повреждал мишень (энергия фотонов составляла 780 электронвольт), физики меняли пластину после каждого импульса. Анализ собранных данных позволил ученым прояснить основные физические параметры луча, в частности, вычислить степень пространственной и временной когерентностей - меру согласованности колебаний фотонов в пучке.

Пространственная когерентность - это согласованность колебаний, совершаемых в один и тот же момент в разных точках пространства, через которое идет пучок. Характеризовать эту величину можно используя длину когерентности - минимальное расстояние, на котором случайные изменения фазы колебаний достигают величины сравнимой с Пи. Физики установили, что эта длина для луча LCLS составила 17 микрометров. Это сравнимо с диаметром поперечного сечения самого луча.

Временная когерентность измеряет согласованность колебаний в разное время в одной точке пространства, через которое идет пучок. Для характеристики этой величины подходит, например, время когерентности - промежуток времени, в течение которого фазы колебаний примерно одинаковы. Для лазера LCLS эта характеристика составила 0,55 фемтосекунды (0,55 x 10^-15 секунды). В частности, это означает, что особенно хорошо луч будет показывать себя при изучении поверхности образцов на глубину до 150 нанометров (именно такое расстояние проходит пучок за время когерентности).

По словам ученых, характеристики лазера оказались лучше, чем предсказывали его модели. В частности, 78 процентов всей энергии пучка оказывается сосредоточено всего в одном режиме колебаний. Лазер предназначен для изучения микроскопических образцов методом рентгеновской микроскопии. В феврале 2011 года в Nature появилась статья, в которой ученые впервые получили структуру мембранных белков с помощью LCLS - другие методы просто не способны регистрировать эту структуру.