Лазер на свободных электронах

Рис.1,Получение рентгеновских лазерных лучей‎

Лазер на свободных электронах (англ. Free Electron Laser, FEL) — вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе — периодической системе отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Электроны, совершая периодические колебания, излучают фотоны, энергия которых зависит от энергии электронов и параметров ондулятора.

В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях — у FEL источником излучения является пучок электронов в вакууме, проходящий сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов — ондулятор (вигглер), заставляющий пучок двигаться по синусоидальной траектории, теряя энергию, которая преобразуется в поток фотонов. Далее лазерный луч, как и в прочих лазерах, собирается и усиливается системой зеркал, установленных на концах ондулятора. В результате вырабатывается мягкое рентгеновское излучение, применяемое, например, для исследования кристаллов и других наноструктур.

Меняя энергию электронного пучка, а также параметры ондулятора (силу магнитного поля и расстояние между магнитами), можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, вырабатываемого FEL, что является главным отличием FEL от лазеров других систем. Излучение получаемое с помощью FEL применяется для изучения нанометровых структур — есть опыт получения изображений частиц размером всего 100 нанометров (этот результат был достигнут с помощью рентгеновской микроскопии с разрешением около 5 нм^[1]). Проект первого лазера на свободных электронах был опубликован в 1971 году Джоном М. Дж. Мэйди (J.M.J. Madey) в рамках своего PhD-проекта в Стэнфордском университете. В 1976 году Мэйди и его коллеги продемонстрировали первые опыты с FEL, используя электроны с энергией 24 МэВ и 5-ти метровый вигглер для усиления излучения ^[2]. Мощность лазера составляла 300 мВт, а эффективность всего 0,01 %, но была показана работоспособность такого класса устройств, что привело к огромному интересу и резкому увеличению количества разработок в области FEL.

Получение рентгеновского лазерного излучения

Основная статья: Вигглер

Изображение ускорителя заряженных частиц

Рис.2,Магниты Вигглера

Рис.3,Вигглер Хальбаха

Для создания лазерного рентгеновского излучения необходим пучок электронов, разогнанный в синхротроне до скорости, близкой к скорости света. Полученный пучок направляется в специализированный прибор для генерации лазерного рентгеновского излучения — вигглер.

Вигглер представляет собой магнит, создающий сильное поперечное (как правило, вертикальное) знакопеременное магнитное поле. Его можно представить себе как последовательность коротких дипольных магнитов, полярность каждого следующего из которых противоположна предыдущему. Вигглер устанавливается в прямолинейный промежуток электронного синхротрона, и ультрарелятивистский пучок проходит в нём по извилистой траектории, близкой к синусоиде, излучая фотоны в узкий конус вдоль оси пучка. Типичный диапазон длин волн синхротронного излучения, генерируемого вигглером, — от жёсткого ультрафиолета до мягкого рентгена, хотя существуют вигглеры с энергией генерируемых квантов до нескольких МэВ.

Вигглер, помещённый в резонатор (например, два соосных зеркала), — простейшая модель лазера на свободных электронах. Магниты, из которых собран вигглер, могут быть обычными электромагнитами, сверхпроводящими, либо постоянными. Типичное магнитное поле вигглера — до 10 Тесла. Мощность получаемого синхротронного излучения — до сотен кВт — зависит как от тока пучка, так и от поля, а также от количества полюсов вигглера (от трёх до нескольких десятков).

В настоящее время рентгеновский лазер требует использования ускорителей электронов со встроенной защитой (поскольку ускоренные электроны представляют значительную лучевую опасность). Эти ускорители могут представлять собой циклические машины, или линейные ускорители. Имеются также проекты использования сверхмощного лазерного излучения для ускорения электронов. Сам электронный луч обычно поддерживается в вакууме, который требует использования многочисленных насосов на пути луча.

Применение

Основная статья: Микроскоп

Основная статья: Лазерная рентгеновская микроскопия

Применяется для кристаллографии и изучения строения атомов и молекул.

Рентгеновские лазеры, включая FEL, способны создавать «мягкое» рентгеновское излучение с длиной, которая используется в медицинских целях. Оно не может проникнуть даже через лист бумаги, но идеально подходит для зондирования ионизированных газов с высокой плотностью энергии (чем короче длина волны, тем глубже луч проникает в плотную плазму), а также для исследования новых и существующих материалов.

Перспективы

Рентгеновская микроскопия продолжает совершенствоваться, приближаясь к разрешению в 1 ангстрем (0,1 нм) и открывая возможности для получения изображений атомов и молекулярных структур. Также найдёт применение в медицинских целях и микроэлектронике.

Постоянное уменьшение размеров установок, снижение их стоимости, получение настольных рентгеновских лазеров станет привычным инструментом в лабораториях по исследованию физики плазмы, так как имеет почти все, что нужно: низкие энергозатраты, повторный выстрел каждые 4 минуты и малую длину волны. Их приспособляемость делает их очень желательными во многих областях, включая область медицинского диагнозцирования и неразрушающего метода исследований и др.^[3]

В 2009 году под Гамбургом (Германия) строился самый крупный в мире рентгеновский лазер, в этом проекте участвуют Германия, Франция и Россия. Стоимость проекта превышает 1 млрд евро. ^[4]

См. также

• Рентгеновский лазер с ядерной накачкой
• Магнетрон

Примечания

1. ↑ Достигнут новый предел разрешения рентгеновского микроскопа
2. ↑ Free Electron Lasers and Other Advanced Sources of Light: Scientific Research Opportunities (1994)
3. ↑ РЕНТГЕНОВСКИЙ ЛАЗЕР: ИЗ-ПОД ЗЕМЛИ НА РАБОЧИЙ СТОЛ | № 11, 2005 год | Журнал «Наука и жизнь»
4. ↑ Взламывая секреты материи: современные и будущие рентгеновские лазеры XFEL | Нанотехнологии Nanonewsnet

Ссылки

Европейское агентство XFEL