Laisvųjų elektronų lazeris (FEL): kas tai, veikimo principas ir taikymai

Sužinokite, kas yra Laisvųjų elektronų lazeris (FEL), jo veikimo principas, plačios bangų ruožo galimybės ir praktiniai taikymai mokslui bei pramonei.

Laisvųjų elektronų lazeris (FEL) - tai lazeris, kuris skleidžia labai ryškų šviesos pluoštą. Iš esmės tai galima vadinti itin galingu ir reguliuojamu spinduliu. Jam būdingos tos pačios optinės savybės kaip ir įprastiniams lazeriams: FEL skleidžia spindulį, sudarytą iš koherentinės elektromagnetinės spinduliuotės, kuri gali pasiekti didelę galią. Tačiau FEL pluoštui formuoti naudojami veikimo principai, kurie gerokai skiriasi nuo tipinių dujų, skysčio ar kietojo kūno lazerių: šiuose įprastuose lazeriuose elektronai yra sužadinami būdami surišti su atomais, o FEL kaip lazerinę terpę naudoja reliatyvistinį elektronų pluoštą, laisvai judantį per periodinę magnetinę struktūrą. Dėl to vartojamas terminas laisvasis elektronas. Laisvųjų elektronų lazerio dažnių diapazonas yra plačiausias iš visų lazerių tipų, o bangų ilgis gali būti derinamas – nuo mikrobangų, terahercinės spinduliuotės ir infraraudonųjų spindulių iki regimojo spektro, ultravioletinių ir rentgeno spindulių.

Veikimo principas

Pagrindinis elementas, kuriame elektronų pluoštas generuoja šviesą, yra periodinė magnetinė struktūra, vadinama unduliatoriumi arba "wiggler". Kai aukštos energijos (reliatyvistiniai) elektronai praeina pro tokią struktūrą, jie “siūbuoja” magnetiniame lauke ir spinduliuoja elektromagnetinę bangą (sinchrotroninę spinduliuotę). Per trumpą atstumą vyksta sąveika tarp spinduliuotės ir elektronų: mažos amplitudės svyravimai elektronų tankyje virsta vadinamąja mikroklasčiavimo (microbunching) būkle. Dėl to visi elektroniai pradeda spinduliuoti fāziškai suderintai, kas lemia stiprų ir koherentinį išėjimą.

Yra kelios darbo režimų rūšys:

• SASE (Self-Amplified Spontaneous Emission) – pradžia iš atsitiktinės šurmulio spinduliuotės, kuri sustiprėja per unduliatorių; generuoja labai trumpas ir intensyvias impulsų serijas, bet su didesne spektrine variacija.
• Seeduoti (seeded) režimai – naudojamas išorinis šviesos impulsas (seed), kuris suteikia pradininę fazinę informaciją ir leidžia pasiekti didesnę koherenciją ir stabilumą (pvz., HGHG, EEHG metodai).
• Osciliatoriai – tam tikrais bangų ilgiais naudojamos optinės ertmės, kad spinduliuotė grįžtų į unduliatorių ir būtų dar labiau sustiprinta (dažniau ilgesniems bangų ilgiams).

Komponentai ir technologija

Paprastai FEL sistema sudaryta iš šių pagrindinių dalių:

• elektronų šaltinis (pvz., fotokatodinis pištolas),
• linijinis greitintuvas (linac), skirtas suteikti elektronams reikiamą energiją,
• būtinų kompresorių ir magnetinių sistemų, formuojančių trumpus elektrono impulsus,
• unduliatorius arba wiggler, kur vyksta spinduliuotės generavimas,
• jei reikalinga – optinė ertmė (osciliatorius) arba fotonų transportavimo ir išlygavimo sistema,
• ir galiausiai šviesos linijos eksperimentams bei pluošto diagnostikos įranga.

Istorija trumpai

Laisvųjų elektronų lazerius 1976 m. Stanfordo universitete išrado Johnas Madey. Jo darbas rėmėsi Hanso Motzo ir bendradarbių 1953 m. Stanforde atliktais unduliatoriaus tyrimais, kuriuose buvo panaudota magnetinė konfigūracija, tapusi FEL pagrindu. Madey panaudojo ~24 MeV elektronų pluoštą ir apie 5 m ilgio wigglerį signalo sustiprinimui; vėliau panašias sistemas kūrė ir kitos didelės greitintuvų laboratorijos. Per pastaruosius kelis dešimtmečius tik didėjusi techninė pažanga leido sukurti rentgeno srities FEL'us, tokius kaip LCLS (JAV), European XFEL (Vokietija), SACLA (Japonija), FLASH ir FERMI (Europa), kurie atvėrė naujas mokslo galimybes.

Panaudojimai

FEL turi labai daug taikymo sričių, ypač ten, kur reikalinga aukšta spinduliuotės galia, trumpi impulsai ir didelė koherencija:

• struktūrinė biologija ir medicina (femtosekundinės rentgeno difrakcijos, vienkartinių biologinių makromolekulių vaizdavimas),
• medžiagų mokslas (ultraprecizinės matricos, dinaminiai procesai, perėjimai fazėse),
• cheminė kinetika (reakcijų laiko mastai),
• optinė elektronika ir nanotechnologijos (litografija, nanostruktūrų tyrimai),
• plazmos ir branduolinės fizikos eksperimentai,
• pramoninės ir saugumo programos, kur reikalinga specifinė spinduliuotė ar labai intensyvios impulsų grandinės.

Privalumai ir iššūkiai

Privalumai: didelis spindulio ryškumas (brilliance), plačios derinimos bangos ilgio galimybės, itin trumpos impulsų trukmės (femtosekundės), galimybė reguliuoti poliarizaciją (pvz., naudojant spiralinius unduliatorius) ir aukšta piko galia.

Iššūkiai: tokios įrangos dydis ir kaina yra didelė, reikalinga labai aukšta elektronų spindulio kokybė ir stabilumas, sudėtinga sinchronizacija tarp lazerių ir elektronų impulsų. Be to, FEL sistemos reikalauja daug elektros energijos ir sudėtingos aušinimo bei infrastruktūros.

Energetinis efektyvumas ir regeneraciniai sprendimai

Veikdami laisvųjų elektronų lazeriai naudoja daug elektros energijos. Siekiant sumažinti energijos sąnaudas, mokslininkai diegia energetinio regeneravimo linijinius greitintuvus (ERL), kurie leidžia atgauti dalį elektronų kinetinės energijos ir ją sugrąžinti į sistemą. Kitas sprendimas – superlaidžių linac'ų naudojimas, kas leidžia dirbti dideliu kartojimo dažniu ir efektyviau panaudoti energiją. Šios technologijos ypač svarbios ilgo laikotarpio moksliniams eksperimentams ir pramoniniams taikymams.

Apibendrinant, laisvųjų elektronų lazeriai yra itin universalios ir galingos šviesos šaltinių sistemos, atveriančios unikalius tyrimų ir taikymo kelius, tačiau reikalaujančios sudėtingos techninės infrastruktūros bei aukštos energetinės investicijos.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra laisvųjų elektronų lazeris?

K: Kokį dažnių diapazoną apima laisvųjų elektronų lazeris?

K: Kas išrado laisvųjų elektronų lazerį?

K: Kas buvo naudojama signalų stiprinimui ankstyvuosiuose FEL eksperimentuose?

K: Kas sukūrė ankstesnę versiją to, kas vėliau tapo FEL?

K.: Kiek elektros energijos sunaudoja veikiantys FEL?

K: Kaip mokslininkai gali sumažinti veikimui reikalingos energijos kiekį?

Paieška pagal raidę