Bilim dünyasında ışığın üretimi ve kontrolü üzerine yapılan önemli bir çalışma, lazer plazma hızlandırıcısı (LPA) kullanılarak gerçekleştirildi. ABD’li araştırmacılar, bu yöntemi kullanarak kritik bir başarı elde etti; sekiz saatten fazla kesintisiz ve kararlı biçimde koherent yani uyumlu ışık ışınları üreten bir serbest elektron lazeri (FEL) geliştirdiler. Bu gelişme, hem akademi hem de sanayi alanında UV ve X-ışını kaynaklarına erişimi kolaylaştırma potansiyeli taşıyor.
Serbest elektron lazerleri, özgün ışıma özellikleriyle özellikle fizik, kimya, biyoloji ve malzeme bilimleri gibi birçok araştırma alanında kullanılan parlak ve uyumlu ışık darbeleri oluşturuyor. FEL’lerde, yüksek enerjili elektron demetleri özel manyetik alanlar uygulayan “undulatör” adı verilen bir cihazdan geçerken, elektronların hareketinden kaynaklanan ışık güçlü bir şekilde artıyor. Bu süreçte ışığın uyumlu ve parlak hale gelmesi sağlanıyor. Ancak bu demetlerin hem parlak hem de stabil olması gerekiyor. Günümüzde bu tür demetler, kilometreler uzunluğunda büyük ve pahalı hızlandırıcılar tarafından üretiliyor.
Lazer plazma hızlandırıcıları ise, yüksek güçlü lazer darbeleriyle plazma ortamına uygulanan elektrik alanları yardımıyla elektronları ışık hızına yakın hızlarda hızlandırabiliyor. Bu hızlandırma mekanizması, dalgalar üzerinde hareket eden sörfçüyü anımsatan bir prensibe dayanıyor. Lazer ışını plazmada bir “uydu alanı” yani wakefield oluşturuyor ve bu alan elektronları yakalayarak güçlü hızlarla hareket ettiriyor. Ancak, bugüne kadar bu yöntemdeki lazer dalgası ve ortam koşullarındaki dalgalanmalar sebebiyle stabilize edilmiş ve tutarlı elektron demetleri üretmek zor oldu; bu da FEL performansını olumsuz etkiliyordu.
2021 yılında kurulan Texas merkezli Tau Systems şirketi, pratik LPA cihazları geliştirmeye odaklandı. Şirket, Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nın BELLA Merkezi araştırmacılarıyla bir araya gelerek BELLA’nın yüksek güçlü lazer sistemine beş farklı aktif stabilizasyon teknolojisi entegre etti. Bu teknolojilerden biri, asıl lazer ışınının düşük güçlü bir kopyası olan “hayalet” ışını kullanarak, gözle görülmeyen küçük titreşim ve dalgalanmaları tespit edip düzeltti. Böylece lazer ışınının odak noktası ve enerjisi benzersiz bir kararlılıkla korundu.
Yapılan deneylerde, saniyede 1 kez 100 MeV enerji seviyesine sahip elektron demetleri kesintisiz olarak ve yüksek stabiliteyle üretildi. Bu demetler, vakum içindeki 4 metre uzunluğundaki undulatörden geçirilerek kendi kendini güçlendiren spontan emisyon (SASE) mekanizmasıyla 420 nm dalga boyunda morötesi ışık darbeleri oluşturdu. Sistem, herhangi bir insan müdahalesi olmadan sekiz saat boyunca sürekli çalıştı ve 2025 yılında gerçekleştirilen bir saatlik başarılı deneme performansını ciddi oranda geliştirdi.
Tau Systems’ten Stephen Milton, bu başarının LPA destekli FEL teknolojisinin sadece deneysel bir gösteriden ibaret olmadığını, bilimsel ve endüstriyel kullanıcıların ihtiyaç duyduğu kararlılığı sağlayabilen gerçek bir platform olduğunu vurguluyor. BELLA Merkezi’nden Finn Kohrell ise bunun LPA teknolojisinin parlaklığı ve performansının artırılması için kritik bir adım olduğunu, ayrıca gelecekte bu hızlandırıcıların hassas ışık kaynakları olarak kullanılabileceğinin kanıtı olduğunu söylüyor.
Araştırmacılar, lazer, plazma ve elektron demetleri arasındaki etkileşimlere ilişkin çok değerli veriler topladı. Bu bilgiler, sistemin kontrol mekanizmalarının geliştirilmesine olanak tanıyor ve stabilitenin ve parlaklığın daha da artırılabileceğini gösteriyor. Gelecek deneylerde FEL enerjisinin 500 MeV’ye çıkarılması planlanıyor. Bu değer, undulatör cihazları kullanılarak dalga boyunun 20-30 nm aralığına çekilmesini sağlayacak ve ışığın sert ultraviyole veya yumuşak X-ışını bölgesinde üretimi mümkün olacak. Böylece, teknolojinin gerçek dünyadaki uygulamalar için uygun hale gelmesi hedefleniyor.
Bu çalışmanın sonuçları, saygın Physical Review Accelerators and Beams dergisinde yayımlanarak bilim camiasıyla paylaşıldı. Lazer plazma hızlandırıcılarının, daha küçük, ekonomik ve erişilebilir bilimsel ışık kaynakları yaratma yolunda yeni bir dönemi başlatması bekleniyor.
📎 Kaynak: physicsworld.com
