Лазер на свободных электронах — 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. 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). Проект первого лазера на свободных электронах был опубликован в 1971 году Джоном Мэйди 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-метровый вигглер для усиления излучения. 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:
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 (лазерная рентгеновская микроскопия).
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 всё, что нужно: низкие энергозатраты, повторный выстрел каждые несколько минут и малую длину волны. Их приспособляемость делает их очень желательными во многих областях, включая область медицинского диагностирования и неразрушающего метода исследований и др.
В 2009 году под Гамбургом (Германия) началось строительство Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах и предполагается что он будет самым крупным в мире рентгеновским лазером. В этом проекте участвуют Германия, Франция и Россия. Стоимость проекта превышает 1 млрд евро.
1 сентября 2017 года в Гамбурге был запущен Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах.
ВМС США изучает перспективы применения лазера на свободных электронах в качестве оружия противовоздушной и противоракетной обороны. Лазер, разработанный в Лаборатории Джефферсона имеет выходную мощность, достигающую 14 кВт. Ведутся исследования мегаваттного лазера воздушного базирования. 9 мая 2009 года Бюро военно-морских исследований объявило о заключении с Raytheon контракта на разработку экспериментального лазера на свободных электронах мощностью в 100 кВт. 18 марта 2010 года Boeing Directed Energy Systems объявили об окончании предварительного проектирования оружейной системы, основанной на лазере на свободных электронах, начатой по заказу ВМС США. Исследования лазеров ведутся и в Лос-Аламосской национальной лаборатории, испытания полноразмерного прототипа намечены на 2018 год.
| Мировой опыт |
