SwissFEL에서 집중적인 다중 사용자 연구 프로그램을 지원하는 고신뢰성 펨토초 증폭기

과제

자유 전자 레이저(FEL)는 대체로 길이가 수백 미터에 달하는 "대형 과학" 장치로서 마이크로파 영역에서 X선에 이르기까지 다양한 파장에서 강렬한 펨토초 펄스를 생성합니다. 스위스 북부의 Paul Scherrer Institute(PSI)에 위치한 SwissFEL은 X선 펄스(파장 범위: 1Å~70Å)를 생성하도록 특별히 최적화된 FEL입니다. SwissFEL은 2016년에 개설된 이후로 물리학, 화학 및 생물학 분야의 초고속 역학을 연구하는 다중 사용자 시설로 운영되고 있습니다. 대부분의 실험은 두 개의 펨토초 펄스와 가변 지연이 있는 펌프-프로브 방법을 사용하여 수행됩니다. 따라서 SwissFEL 팀은 FEL의 X선 프로브 펄스와 함께 펌프로 사용할 펨토초 레이저가 필요했습니다. 주요 요구 사항은 특정(100Hz) 반복률에서 높은 펄스 에너지, 우수한 빔 품질 및 높은 신뢰성이었습니다.

솔루션

SwissFEL의 Steven Johnson 교수는 이렇게 설명합니다. "THz 방사선 생성 등을 위해 비효율적인 비선형 변환 후에도 높은 펄스 에너지를 달성하려면 높은 빔 품질과 함께 20밀리줄의 펄스 에너지가 필요했습니다. 이는 티타늄:사파이어(Ti:S) 증폭기를 의미합니다. 하지만 대부분의 상용 Ti:S 증폭기는 1kHz 작동에 최적화되어 있고 저희 FEL은 100Hz 펄스 속도로 설정되어 있어 이 느린 속도에 최적화된 증폭기가 필요했습니다." 또한 Johnson은 신뢰성이 특별히 중요하다고 말합니다. "저희 SwissFEL은 단 5일이라는 기한 내에서 실험을 수행할 방문자를 몇 달 전부터 예약하는 촘촘한 일정을 운영하고 있죠. 증폭기는 모든 사용자에게 24시간 완벽한 성능을 제공해야 합니다. 계획되지 않은 가동 중지 시간은 단순히 선택 사항이 아닙니다. 그래서 우리가 원했던 것은 전문적인 상용 레이저 소스의 신뢰성을 갖춘 맞춤형 레이저의 성능이었습니다.” PSI는 이전에 Coherent 초고속 레이저의 신뢰성을 경험한 적이 있으며, 그 후 100Hz에서 20mJ를 전달하는 개조된 Legend Elite 증폭기 2대를 구입하기로 결정했습니다. 그 이유는 이중화를 통해 유지 보수 등으로 인해 발생 가능한 가동 중지 시간을 제거하기 위함이었습니다.

결과

Johnson은 이러한 증폭기의 신뢰성이 기대했던 것보다 훨씬 더 높다고 말합니다. 그는 이러한 견해를 뒷받침하는 증거로 SwissFEL에서의 연구에 기초해 발표된 수많은 논문을 인용합니다. 여기에는 생물학자들의 단기적인 단백질 연구에서 궁극적으로는 더 빠른 속도의 전자 장치로 이어질 수 있는 물질의 빠른 편광 현상을 조사하는 자체 연구에 이르기까지 다양한 연구들이 존재합니다. 다만 최종 검증은 아마도 SwissFEL이 Coherent의 세 번째 Ti:sapphire 증폭기를 발주(2020년)한 건일 것입니다.

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