Laser s prostimi elektroni (FEL): definicija, delovanje in uporabe
FEL (laser s prostimi elektroni): definicija, delovanje in uporabe — pregled tehnologije, širokega frekvenčnega območja ter aplikacij v znanosti, medicini in industriji.
Laser na proste elektrone ali FEL je laser, ki proizvaja izjemno svetel, običajno zelo kratkotrajni snop elektromagnetnega sevanja — v praksi gre za svojevrstno "super svetilko". Ima enake optične lastnosti kot običajni laserji: oddaja snopa sestavljenega iz koherentnega elektromagnetnega sevanja, ki lahko doseže zelo veliko moč. Vendar se FEL razlikuje po načinu generiranja tega sevanja: namesto vzbujenih vezanih elektronov v atomski mreži kot pri plinastih, tekočih ali trdnih laserskih medijih (npr. diodni laserji) FEL uporablja relativistični elektronski žarek, ki se prosto giblje skozi posebno magnetno strukturo — od tod izraz prosti elektron.
Kako FEL deluje
Osnovni princip FEL temelji na interakciji relativističnih elektronov z periodicno magnetno poljejo undulatorja ali wigglerja. Ko visokohitrostni elektroni prehajajo skozi to magnetno strukturo, se zaradi magnetnih sil začnejo nihati in sevati elektromagnetno sevanje. V prisotnosti ustreznih pogojev se med elektroni in sevanjem vzpostavi povratna vezava, ki povzroči, da se elektroni združujejo v kratke gostejše skupke (t. i. microbunching). Ti microbunchi radikalno povečajo usklajenost sevanja in omogočijo hitro ojačanje svetlobe — v nekaterih režimih do intenzitet, primerljivih ali večjih od klasičnih laserjev.
Ključne komponente
- Vir elektronov: elektronska pištola (electron gun), ki odda začetni žarek.
- Pospeševalnik: običajno linearni pospeševalnik (linac), ki elektrone pospeši do relativističnih energij (od nekaj MeV do več GeV).
- Undulator / wiggler: periodična magnetna struktura, ki elektrone sili v bočno nihanje in povzroča sevanje.
- Optični elementi: v daljševalovnih izvedbah se lahko uporabi optična votlina (oscillator), v visokofrekvenčnih (npr. rentgenskih) običajno deluje enoprehodni visokozmagovalni režim (SASE).
- Sistem za transport žarka in diagnostiko: magneti, kolimatorji, merilne naprave za nadzor energije, emittance in časovne strukture pulzov.
Režimi delovanja in koherenca
Obstajata dva osnovna načina, kako se FEL lahko obnaša: kot oscillator z optično votlino (primeren za daljše valovne dolžine) ali kot SASE (self-amplified spontaneous emission) v enoprehodnem visokogainu, ki je temeljna metoda za rentgenske FEL. SASE začne s šumom spontane emisije in se v eni prehodni fazi močno ojača; takšen izhod je izredno močan in kratek, vendar ima omejeno koherenco v fazi (lahko pa se izboljša s sejanjem/seedanjem). Z uporabo sejalnih tehnik (seeded FEL) je mogoče doseči višjo koherenco in stabilnost valovne dolžine.
Valovne dolžine, uglasljivost in lastnosti pulzov
Laser na proste elektrone ima najširše frekvenčno območje med vsemi vrstami laserjev in je zelo uglasljiv — trenutno zajema spekter od mikrovalov prek teraherznega in infrardečega sevanja do vidnega področja, ultravijoličnih in celo rentgenskih žarkov. Valovno dolžino je mogoče spreminjati z nastavitvijo energije elektronskega žarka (γ) in parametrov undulatorja (perioda in jakost polja), kar FEL naredi izredno prilagodljiv za različne raziskave. FEL pulzi so lahko izjemno kratki (femtosekundni do pikosekundni), z zelo visoko vršno svetilnostjo in zmožnostjo sinhronizacije za pump–probe eksperimente.
Zgodovina in razvoj
Laserje na proste elektrone je leta 1976 na Univerzi Stanford izumil John Madey. Njegovo delo je temeljilo na zgodnejših raziskavah Hansa Motza in sodelavcev, ki so že leta 1953 na Stanfordu izdelali prvo magnetno konfiguracijo undulatorja (wiggler), ki je postala bistvo FEL-principa. Madey je v zgodnjem eksperimentu uporabil 24 MeV elektronski žarek in 5 m dolg wiggler za ojačitev signala; kmalu so takšne naprave začeli razvijati tudi drugi laboratoriji s pospeševalniki, kar je privedlo do velikih znanstvenih in industrijskih centrov (sodobne naprave dosegajo GeV energije in metrične dolžine undulatorjev).
Uporabe
FEL in predvsem rentgenske FEL naprave so močno spremenile raziskave naravoslovja in dajale novo kakovost v številnih disciplinah:
- Strukturna biologija: določanje struktur proteinov z enoprotnimi odličnimi rentgenskimi pulzi.
- Fizika trdnih snovi in materialov: študiji dinamike, faznih prehodov in nelinearnih pojavov v realnem času.
- Kemija: sledenje hitrim reakcijskim poti in prehodnim stanjem v femtosekundnem merilu.
- Medicinska tehnologija in biofotonska diagnostika: raziskave na medicinskih materialih in razvoj naprednih metod slikanja.
- Industrijske aplikacije: nanolitografija, obrada materialov in testiranje vzdržljivosti ob povsem novem energetskem/časovnem obsegu.
- Osnovna fizika: preizkusi v ekstremnih pogojih, interakcije močnih polj in razvoj novih metod pospeševanja.
Izzivi in izboljšave
Glavni omejitvi FEL so velikost, kompleksnost in visoka poraba energije celotnih pospeševalnih sistemov. Za zmanjšanje porabe se pogosto preučujejo in uporabljajo tehnologije, kot je linearni pospeševalnik z rekuperacijo energije (ERL), ki omogoča recikliranje visokoenergijskega elektronskega žarka po oddaji sevanja in bistveno zmanjša potrebne vhodne moči. Poleg tega potekajo intenzivna dela na zanesljivosti, stabilnosti in manjših, cenejših izvedbah FEL (npr. kompaktni pospeševalniki, napredni sejalni viri, nove magnetne konfiguracije), kar odpira pot širšim znanstvenim in industrijskim uporabam.
Laserji s prostimi elektroni so tako edinstveno orodje zaradi svoje široke uglasljivosti, visoke svetilnosti in sposobnosti ustvarjanja ultrakratkih pulzov — kar omogoča raziskave in aplikacije, ki jih noben drug tip laserja ne more enostavno izvesti.
Laser na proste elektrone FELIX na FOM (Nieuwegein)
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je laser na proste elektrone?
O: Laser na proste elektrone ali FEL je laser, ki proizvaja zelo svetel snop svetlobe. Ima enake optične lastnosti kot običajni laserji, kot je oddajanje snopa, sestavljenega iz koherentnega elektromagnetnega sevanja, ki lahko doseže veliko moč. Za razliko od laserjev v plinastem, tekočem ali trdnem stanju, kot so diodni laserji, pri katerih so elektroni vzbujeni, ko so vezani na atome, se pri laserjih FEL kot laserski medij uporablja relativistični elektronski žarek, ki se prosto giblje skozi magnetno strukturo.
V: Kakšno frekvenčno območje pokriva laser na proste elektrone?
O: Laser na proste elektrone ima najširše frekvenčno območje med vsemi vrstami laserjev in ga je mogoče široko uglasiti. Trenutno sega po valovni dolžini od mikrovalov, preko teraherznega sevanja in infrardečega spektra do vidnega spektra, ultravijoličnega spektra in rentgenskih žarkov.
V: Kdo je izumil laser na proste elektrone?
O: Laserje na proste elektrone je leta 1976 izumil John Madey na Univerzi Stanford.
V: Kaj se je uporabljalo za ojačevanje signalov pri prvih poskusih z laserji na proste elektrone?
O: John Madey je pri zgodnjih poskusih s FEL za ojačitev signalov uporabljal 24 MeV elektronski žarek in 5 m dolg wiggler.
V: Kdo je razvil zgodnejšo različico naprave, ki je postala FEL?
O: Hans Motz in njegovi sodelavci so leta 1953 na Stanfordu razvili zgodnejšo različico tega, kar je postalo FEL, z uporabo magnetne konfiguracije wigglerja, ki je bistvo laserja na proste elektrone.
V: Koliko električne energije porabijo laserji FEL pri svojem delovanju?
O: Laserji s prostimi elektroni med delovanjem porabijo veliko električne energije.
V: Kako lahko znanstveniki zmanjšajo količino energije, potrebne za delovanje?
O: Za zmanjšanje energije, potrebne za delovanje, znanstveniki uporabljajo linearni pospeševalnik za rekuperacijo energije za recikliranje visokoenergijskega elektronskega žarka, ki aktivira laser.
Iskati