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近日，德国柏林马克斯普朗克学会的弗里茨哈伯研究所（FHI）实现了一个技术里程碑——红外自由电子激光器首次在双色模式下运行。

此项全球领先的技术创新，使得同步双色激光脉冲实验成为可能，并为研究固体和分子的时间过程等应用开辟了新的可能性。

（图片来源：FHI）

研究价值与突破口

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。

目前，全世界范围内大约有十多种自由电子激光器，这些激光器在尺寸（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，它们拥有一个共同的特点：都会产生强烈而短的辐射脉冲。

具体机制及实现过程

据悉，弗里茨哈伯研究所（FHI）的研究人员与美国的合作伙伴共同开发了一种新方法。该方法的独特之处在于：能够同时产生两种不同颜色的红外脉冲。

这一技术的实现过程也很精妙绝伦：在自由电子束流中，电子束首先经过电子加速器的加速，达到接近光速的极高动能。随后，这些高速电子通过波动器，在周期性极性变化的强磁场作用下，被迫进入一个类似回旋的路径。

电子的振荡作用导致了电磁辐射的发射，而辐射的波长可以通过调整电子能量或磁场强度来进行精确控制。正因如此，自由电子激光器（FELs）能够在电磁频谱的几乎所有部分产生类似激光的辐射，覆盖从长太赫兹到短X射线波长的广阔范围。

自2012年以来，FHI的FEL一直在稳定运行，产生强烈的脉冲辐射，其波长在中红外（MIR）范围内连续可调，范围从2.8微米至50微米。

而近年来，FHI的科学家和工程师致力于扩展双色模式的研究，成功安装了第二个FEL分支，以产生波长在5-170微米之间的远红外（FIR）辐射。

据介绍，FIR-FEL分支的核心组件是一个全新的混合磁体波动器，这是FHI专门设计并建造的。此外，在电子直线加速器（LINAC）的后端，研究人员安装了一个500 MHz的电子横向偏转踢腔——这一装置能够以每秒10亿次的频率，精准地改变高能电子束的行进方向。

在2023年6月，FHI团队成功演示了新型FIR-FEL的首次“激光”运行，成功将来自LINAC的所有电子束引导至FIR-FEL。仅仅半年后，即2023年12月，他们又首次展示了双色操作模式。在此模式下，踢子腔产生的强振荡电场，会以一秒为周期，交替使电子束向左和向右偏转。

独特之处

通过这种设计，原本高重复频率（1 GHz，即LINAC每秒产生1束电子束）的电子束序列被巧妙地分割成两个独立的束列，每个束列的重复率减半。其中，一个束列被导向原有的MIR-FEL，而另一个则被导向新建的FIR-FEL。在每个FEL中，通过调整波动器的磁场强度，可以实现高达4倍的波长连续调谐。

FHI-FEL自启用以来，已助力FHI研究小组开展了众多实验，涵盖团簇、纳米颗粒和生物分子气相光谱，到非线性固态光谱和表面科学等多个领域。至今，已产生了约100篇经过同行评审的学术出版物。

这款全新的同步双色激光脉冲激光，是当今世界任何其他红外FEL设施所无法比拟的：它不仅能够支持MIR/MIR和MIR/FIR泵浦探针实验等前沿实验技术，更为物理化学、材料科学、催化研究和生物分子研究等领域的实验研究提供了新的可能性。

科学家们普遍认为，这一技术突破将为新材料和新药物的研发提供强有力的支持，从而推动科学研究的进步。