Лазерът със свободни електрони (FEL): принцип, характеристики и приложения

Лазерът със свободни електрони (FEL): мощен, настройваем лазер от микровълни до рентген — принципи, характеристики и приложения в наука, медицина и индустрия

Лазерът със свободни електрони или FEL е лазер, който произвежда много ярък светлинен сноп. По същество това е супер фенерче: той има същите оптични свойства като конвенционалните лазери — излъчва лъч, състоящ се от кохерентно електромагнитно излъчване, което може да достигне висока мощност. В същото време FEL използва принципи на работа, които са значително различни от тези при газовите, течните или твърдотелните лазери: вместо електрони, свързани в атоми, като лазираща среда се използва релативистичен електронен лъч, който се движи почти «свободно» през периодична магнитна структура — оттук и терминът “свободен електрон”. Именно взаимодействието между релейтивистичните електрони и магнитната структура води до излъчване, което може да бъде силно насочено, кохерентно и широко настроимо по дължина на вълната.

Принцип на действие (опростено)

Основните стъпки в работата на FEL са:

• ускоряване на електрони до релативистични енергии с помощта на ускорител (линеен или хеликален);
• пропускане на електронния лъч през периодична магнитна структура — ундулатор или wiggler, която принуждава електроните да „люлеят” и да излъчват синхротронно излъчване;
• взаимодействие между това излъчване и електронния лъч, водещо до преорганизация на електроните в плътни „микрофасети” (microbunching), което от своя страна усилва излъчването чрез кооперативен ефект — резултатът е бърз растеж на интензитета и образуване на мощен кохерентен лъч.

В зависимост от конфигурацията, FEL може да работи като пулсов източник с изключително кратки времеви структури (фемто- до атосекунди) и много високи пик мощности.

Основни компоненти

• Електронен пушер (gun) — генерира електронния пакет с добра емитантност;
• ускорител — линеен ускорител (LINAC) или синхротрон, който довежда електроните до необходимата енергия;
• ундулатор/wiggler — периодичен магнитен сегмент, при чието преминаване електроните излъчват; (в текста по-горе е посочен термина ундулатор и конфигурацията "wiggler";)
• оптична система/кавитет — при някои FEL конструкции се използва оптичен кавитет за повторно усилване (осцилаторни FEL), докато при X-ray FEL често се прилага режим без кавитет (SASE — Self-Amplified Spontaneous Emission);
• системи за управление и синхронизация — изключително важни за времева синхронизация и качество на лъча.

Видове FEL и режим на работа

• Осцилаторни FEL — използват оптичен кавитет и са подходящи за по-дълги дължини на вълната (инфрачервено, видимо); дават добро спектрално качество и стабилност.
• SASE FEL — при високоенергийните X-ray FEL често няма оптичен кавитет; излъчването се усилва от спонтанното начало до много високи нива (много висока яркост, отлична пространствена кохерентност, но по-слаба дългитудинална кохерентност).
• Seeded FEL — външно „семе” (оптичен импулс) подобрява дългитудиналната кохерентност и стабилността на лъча.
• HGHG, EEHG и други техники — методи за генериране на къси дължини на вълната и подобряване на качеството чрез хармонично преобразуване/манипулация на лъча.

Характеристики

• Широк диапазон на дължините на вълната: FEL има най-широкия честотен диапазон сред лазерите — от микровълни, през терахерцово и инфрачервено, до видимия спектър, ултравиолетово и рентгеново лъчение. Дължината на вълната може да се настройва чрез промяна на енергията на електроните и параметрите на ундулатора (дължината на вълната е променлива).
• Висока яркост и пикова мощност: FEL осигурява пикове на мощност и блясък, които често превъзхождат съвременните синхротрони с много порядъци.
• Кохерентност: отлична пространствена (пространствено-когерентна) светлина; временната кохерентност зависи от режима (seeded vs SASE).
• Кратки импулси: импулсни продължителности в областта на фемтосекундите и дори атосекундите при специални схеми — подходящо за времепрозорчесто (pump–probe) изследвания.
• Настройваемост: широк обхват на настройване по дължина на вълната — от микровълни до рентгенови лъчи — което прави FEL много гъвкави за различни експерименти.

История и развитие

Идеята и първите практически стъпки водят до съвременния FEL. Лазерите със свободни електрони са изобретени от Джон Мадей през 1976 г. в Станфордския университет. Работата стъпва върху изследванията на Ханс Мотц и неговите сътрудници, които още през 1953 г. правят първия ундулатор в Станфорд, използвайки магнитната конфигурация "wiggler", която по-късно се оказва в основата на FEL. Мади използва 24 MeV електронен лъч и 5 m дълъг уигглер за усилване на сигнал; след това много лаборатории с ускорители започват да развиват свои конструкции.

Енергопотребление и ефективност

Лазерите със свободни електрони изискват значителни количества енергия за генериране и ускоряване на електронния лъч. За да се намали общата консумация и да се повиши ефективността, се разработват схеми с възстановяване на енергията — т.нар. Energy Recovery Linacs (ERL). При тях енергията, останала в електронния лъч след взаимодействието, се прехвърля обратно в ускорителната система, което позволява частично рециклиране на енергията и значително намаляване на оперативните разходи.

Приложения

• Материалознание: структурни изследвания, време-разрешена дифракция и спектроскопия за изучаване на фазови преходи и динамика на електроните.
• Биология и медицина: високорезолюционно изображение на биомолекули, време-разрешени експерименти за проследяване на биологични процеси, възможности за структурна биология при рентгенови пулси.
• Химия и физика на плазми: наблюдение на реакционни междинни състояния, изследване на екстремни състояния на материята.
• Фотоника и нанотехнологии: литография, обработка на материали с висока пространствена резолюция и изучаване на наноструктури.
• Индустриални приложения: диагностика и анализ с висока чувствителност, контрол на процеси и др.
• Основни научни изследвания: изследвания на материята при екстремни условия, тестове на фундаментални взаимодействия, развитие на нови източници на кохерентно излъчване.

Големи съоръжения и примери

През последните десетилетия бяха изградени няколко големи FEL съоръжения по света (например X-ray FELs и лаборатории за меки рентгенови лъчи), които революционираха възможностите за експериментална наука. Тези центрове предоставят напреднали възможности за международни изследователски програми и транс-дисциплинарни изследвания.

Предизвикателства и бъдеще

• високи строителни и експлоатационни разходи; големи инсталации изискват значителна инфраструктура;
• управление на качеството на електронния лъч (емитантност, енергетична и времева стабилност);
• намаляване на енергопотреблението чрез ERL и други енергоспестяващи технологии;
• развитие на по-компактни и евтини FEL източници чрез напредък в ускорителните технологии и нови магнитни конструкции;
• подобряване на кохерентността и стабилността чрез seed-методи и усъвършенствани режими на работа.

В заключение, лазерът със свободни електрони е уникален и мощен източник на кохерентно излъчване с изключително широка приложимост — от фундаментални научни изследвания до приложни технологии. Постоянното усъвършенстване на компонентите, на техниките за синхронизация и за енергийно възстановяване прави FEL платформа с голям потенциал и за бъдещи иновации.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява лазерът със свободни електрони?

Въпрос: Какъв диапазон от честоти покрива лазерът със свободни електрони?

Въпрос: Кой е изобретил лазера със свободни електрони?

В: Какво е било използвано за усилване на сигналите при първите експерименти с FEL?

В: Кой е разработил по-ранна версия на това, което ще се превърне в FEL?

В: Колко електроенергия използват FEL, когато работят?

Въпрос: Как учените могат да намалят енергията, необходима за работа?

Търсене по буква