Лазер на свободных электронах

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.

Содержание

Получение рентгеновского лазерного излучения

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

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

Примечания

Ссылки

Европейское агентство XFEL


Wikimedia Foundation. 2010.

Поможем написать курсовую

Полезное


Смотреть что такое "Лазер на свободных электронах" в других словарях:

  • лазер на свободных электронах — Лазер, действие которого основано на излучении электронов, колеблющихся под действием внешнего электрического и (или) магнитного поля, и перемещающихся с релятивистской поступательной скоростью в направлении распространения излучения. [ГОСТ 15093 …   Справочник технического переводчика

  • лазер на свободных электронах — laisvaelektronis lazeris statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. free electron laser vok. Freielektronenlaser, m rus. лазер на свободных электронах, m pranc. laser à électrons libres, m …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • лазер на свободных электронах с вигглер-магнитом — laisvaelektronis lazeris su kintamo erdvinio periodiškumo magnetu statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. free electron laser with variable wiggler magnet vok. Freielektronenlaser mit veränderlichem Wiggler Magnet, m rus. лазер на… …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах — (European XFEL)  международный проект по строительству самого крупного в мире лазера на свободных электронах при участии 12 стран (основные  Германия и Россия), будет расположен в Германии между землями Гамбург и Шлезвиг Гольштейн.… …   Википедия

  • реализуемый лазер на свободных электронах — realizuojamasis laisvaelektronis lazeris statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. realizable free electron laser vok. realisierbare Freielektronenlaser, m rus. реализуемый лазер на свободных электронах, m pranc. laser réalisable à… …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • ЛАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ — генераторы эл. магн. колебаний, действие к рых основано на излучении эл нов, колеблющихся под действием внеш. электрич. и (или) магн. поля и перемещающихся с релятивистской поступат. скоростью в направлении распространения излучаемой волны.… …   Физическая энциклопедия

  • Лазер (значения) — Лазер  имеет несколько значений. Лазер устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного излучения для создания когерентного потока света: Лазер в форме восьмёрки Лазер на квантовых точках Лазер на красителях Лазер на… …   Википедия

  • лазер — а; м. [англ. laser] 1. Оптический генератор источник очень узкого и мощного пучка света, имеющего строго определённую длину волны. Импульсный л. Л. непрерывного действия. 2. Луч, получаемый при помощи лазера и используемый практически. Лечение… …   Энциклопедический словарь

  • ЛАЗЕР — (оптический квантовый генератор), устройство, генерирующее когерентные эл. магн. волны за счёт вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптич. резонаторе. Слово «Л.» аббревиатура слов англ. выражения …   Физическая энциклопедия

  • Лазер — У этого термина существуют и другие значения, см. Лазер (значения). Лазер (лаборатория NASA) …   Википедия

Книги



Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»