Слободно електронски ласер

Слободно електронски ласер (енгл. free-electron laser - FEL) је врста ласера чији се ласерски медијум се састоји од електрона веома велике брзине који се слободно крећу кроз магнетну структуру, отуда и термин слободни електрон. Слободно електронски ласер се може подешавати и има најшири фреквенцијски опсег било којег типа ласера, тренутно у опсегу таласних дужина, од микроталаса, преко терахерцног и инфрацрвеног зрачења, до видљивог спектра, ултраљубичастог и рендгенског зрачења.

Слободно електронски ласер FELIX при Радбоунд универзитету, Најмеген, Холандија.

Схематска репрезентација ондулатора, у основи слободно електронског ласера.

Слободно електронски ласер је изумео Џон Мејди 1971. године на Станфордском универзитету. Слободно електронски ласер користи технологију коју су развили Ханс Моц и његови сарадници, који су 1953. године на Станфорду изградили ондулатор, користећи магнетну конфигурацију виглера који је једна од компоненти ласера са слободним електронима. Мајди је за појачавање сигнала користио електронски сноп од 43 MeV [8] и 5 m дуг.

Стварање снопа

Ондулатор FELIX.

Да би се створио ФЕЛ, сноп електрона се убрзава до скоро светлосне брзине. Сноп пролази кроз периодично распоређене магнете са наизменичним половима дуж путање снопа, што ствара магнетно поље од стране до стране. Правац снопа назива се лонгитудалним правцом, док се правац преко путање снопа назива трансверзалним. Овај низ магнета назива се ондулатор или виглер, јер захваљујући Лоренцовој сили поља он присиљава електроне у снопу да се померају попречно, крећући се синусоидним путем око осе ондулатора.

Попречно убрзање електрона дуж овог пута резултира ослобађањем фотона (синхротронско зрачење), који су монохроматски, али још увек некохерентни, јер електромагнетни таласи из рандомно распоређених електрона интерферирају конструктивно и деструктивно у времену. Настала снага зрачења линеарно се скалира са бројем електрона. Огледала на сваком крају одулатора стварају оптичку шупљину, узрокујући зрачење да формира стојеће таласе, или алтернативно спољашњи побуђивачки ласер је доступан. Синхротронска радијација постаје довољно снажна да попречно електрично поље снопа зрачења узајамно дјелује са попречном електронском струјом створеном синусоидним кретњањем, узрокујући да неки електрони стекну, а други изгубе енергију у оптичком пољу преко пондеромоторне силе.

Ова енергетска модулација еволуира у модулацију електронске густине (струје) са периодом једне оптичке таласне дужине. Електрони су стога лонгитудинално груписани у микро снопове, раздвојене једном оптичком таласном дужином дуж осе. Док би сам ондулатор узроковао да електрони зраче независно (инкохерентно), радијација коју емитују груписани електрони је у фази, а поља се кохерентно сабирају заједно.

Интензитет зрачења расте, узрокујући додатно микронакупљање електрона, који настављају да зраче у фази једни с другима. Овај процес се наставља све док електрони не буду потпуно микрогруписани и радијација не достигне засићену снагу неколико редова величине већу од оне код ондуларног зрачења.

Таласна дужина емитованог зрачења може се лако подесити прилагођавањем енергије електронског снопа или јачине магнетног поља ондулатора.

ФЕЛ су релативистичке машине. Таласна дужина емитованог зрачења, $\lambda _{r}$, дата је са

$\lambda _{r}={\frac {\lambda _{u}}{2\gamma ^{2}}}\left(1+{\frac {K^{2}}{2}}\right)$

или кад је параметар јачине виглера К, дискутован испод, мали

$\lambda _{r}\propto {\frac {\lambda _{u}}{2\gamma ^{2}}}$

где је $\lambda _{u}$ ондулаторна таласна дужина (просторни период магнетског поља), $\gamma$ је релативистички Лоренцов фактор и константа пропорционалности зависи од ондулаторске геометрије и она је реда величине 1.

Ова формула се може разумети као комбинација два релативистичка ефекта. Може се замислити да се посматра са електрона који пролази кроз ондулатор. Због Лоренцове контракције ондулатор је скраћен за $\gamma$ фактор и електрон доживљава знатно краћу ондулаторску таласну дужину $\lambda _{u}/\gamma$. Међутим, зрачење емитовано на овој таласној дужини посматра се у лабораторијском референтном оквиру и релативистички Доплеров ефекат доводи други $\gamma$ фактор у горњу формулу. Ригорозно извођење из Маквелових једначина даје делитељ 2 и константу пропорционалности. У рендгенском ФЕЛ типична ондулаторска таласна дужина од 1 цм се трансформише до таласне дужине рендгенских зрака реда величине од 1 nm помоћу $\gamma$ ≈ 2000, тј. електрони морају да путују брзином од 0,9999998c.

Виглеров параметар јачине К

К, бездимензиони параметер, дефинише виглерову јачину као однос између дужине периода и радијуса савијања,

$K={\frac {\gamma \lambda _{u}}{2\pi \rho }}={\frac {eB_{0}\lambda _{u}}{2\pi m_{e}c}}$

где је $\rho$ радијус савијања, $B_{0}$ је примењено магнетно поље, $m_{e}$ је маса електрона, и $e$ је елементарно наелектрисање.

Изражен у практичним јединицама, бездимензиони ондулаторски параметар је $K=0.934\cdot B_{0}\,{\text{[T]}}\cdot \lambda _{u}\,{\text{[cm]}}$.

Квантни ефекти

У већини случајева, теорија класичног електромагнетизма адеквантно обухвата понашање слободно електронских ласера. За довољно кратке таласне дужине, квантни ефекти поврата електрона и електронске буке могу да постану значајни.

Рендгенски ласер без огледала

Недоступност материјала за прављење огледала која би могла да рефлектују екстремне ултраљубичасте и рендгенске зраке значи да ФЕЛ-ови на тим фреквенцијама не могу да користе резонантну шупљину као остали ласери, који рефлектују зрачење, тако да оно изврши вишеструке пролазе кроз ондулатор. Сходно томе, у рендгенском ФЕЛ (XФЕЛ) излазни сноп настаје једним проласком зрачења кроз ондулатор, и мора бити довољно појачања током једног пролаза да би се произвео адекватно светли сноп.

Електронски ласери без рендгенских зрака користе дуге ондулаторе. Основни принцип интензивних импулса из рендгенског ласера лежи у принципу самопојачане спонтане емисије (SASE), што доводи до микро-груписања. Иницијално су сви електрони равномерно дистрибуирани и они емитују само некохерентно спонтано зрачење. Кроз интеракцију овог зрачења и електронских осцилација, они прелазе у микро-снопове раздвојене растојањем једнаким таласној дужини зрачења. Кроз ову интеракцију, сви електрони у фази почињу да емитују кохерентно зрачење. Сва емитована радијација може се савршено ојачати, при чему се таласни гребени и корита увек на најбољи могући начин прекривају један другог. То резултира експоненцијалним повећањем снаге емитованог зрачења, што доводи до високог интензитета снопа и својстава налик на ласер. Примери постројења која раде на принципу САСЕ ФЕЛ укључују слободни електрон ЛАСер у Хамбургу (FLASH), LCLS у Националној акцелаторској лабораторији СЛАЦ, EuXFEL у Хамбургу, СПринг-8 компактни САСЕ извор (СЦСС) у Јапану, SwissFEL при Пол Шереровом институту (Швајцарска), SACLA на RIKEN Харима институту у Јапану и PAL-XFEL (Поханг акцелераторска рендгенска лабораторија слободно-електронског ласера) у Кореји.

Литература

• Мадеy, Јохн, "Стимулатед емиссион оф бремсстрахлунг ин а периодиц магнетиц фиелд". Ј. Аппл. Пхyс. 42, 1906 (1971)
• Мадеy, Јохн, Стимулатед емиссион оф радиатион ин периодицаллy дефлецтед елецтрон беам, УС Патент 38 22 410,1974
• Босцоло, ет ал., "Фрее-Елецтрон Ласерс анд Масерс он Цурвед Патхс". Аппл. Пхyс., (Германy), вол. 19, Но. 1, пп. 46–51, Маy 1979.
• Деацон ет ал., "Фирст Оператион оф а Фрее-Елецтрон Ласер". Пхyс. Рев. Летт., вол. 38, Но. 16, Апр. 1977, пп. 892–894.
• Елиас, ет ал., "Обсерватион оф Стимулатед Емиссион оф Радиатион бy Релативистиц Елецтронс ин а Спатиаллy Периодиц Трансверсе Магнетиц Фиелд", Пхyс. Рев. Летт., 36 (13), 1976, п. 717.
• Говер, "Оператион Регимес оф Церенков-Смитх-Пурцелл Фрее Елецтрон Ласерс анд Т. W. Амплифиерс". Оптицс Цоммуницатионс, вол. 26, Но. 3, Сеп. 1978, пп. 375–379.
• Говер, "Цоллецтиве анд Сингле Елецтрон Интерацтионс оф Елецтрон Беамс wитх Елецтромагнетиц Wавес анд Фрее Елецтронс Ласерс". Апп. Пхyс. 16 (1978), п. 121.
• "Тхе ФЕЛ Програм ат Јефферсон Лаб" [1]
• Брау, Цхарлес (1990). „Фрее-Елецтрон Ласерс”. Бостон: Ацадемиц Пресс, Инц. 
• Паоло Луцхини, Ханс Мотз, Ундулаторс анд Фрее-елецтрон Ласерс, Оxфорд Университy Пресс, 1990.

Спољашње везе

• Lightsources.org
• FERMI, the new FEL at the ELETTRA synchrotron in Triest
• Free-Electron Laser Open Book (National Academies Press) Архивирано на сајту Wayback Machine (19. јул 2008)
• The World Wide Web Virtual Library: Free-Electron Laser research and applications
• European XFEL
• PSI SwissFEL
• SPring-8 Compact SASE Source
• Electron beam transport system and diagnostics of the Dresden FEL
• The Free Electron Laser for Infrared eXperiments FELIX
• W. M. Keck Free Electron Laser Center Архивирано на сајту Wayback Machine (7. децембар 2008)
• Jefferson Lab's Free-Electron Laser Program
• Free-Electron Lasers: The Next Generation by Davide Castelvecchi New Scientist, January 21, 2006
• Airborne megawatt class free-electron laser for defense and security
• FERMI@Elettra Free-Electron Laser Project
• Center for Free-Electron Laser Science (CFEL)