Ла́зер на свобо́дных электро́нах ( 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.

Описание

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), электроны пучка движутся по траектории близкой к синусоиде , теряя энергию преобразующуюся в поток фотонов , при этом возникает рентгеновское излучение , применяемое, например, для исследования расположения атомов в кристаллах и изучения других наноструктур.

Меняя энергию электронного пучка, а также напряжённость магнитного поля и расстояние между магнитами ондулятора можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, от FEL, что является главным отличием FEL от лазеров других подобных систем. Излучение, получаемое с помощью FEL, применяется для изучения нанометровых структур — получены изображения частиц размером всего 100 нанометров 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 преобразования энергии пучка электронов в излучение всего 0,01 %, но была показана работоспособность таких устройств, что привело к повышению интереса и увеличению количества исследований в области FEL.

Получение рентгеновского лазерного излучения

,Для создания лазерного рентгеновского излучения необходим пучок электронов, разогнанный в ускорителе до скорости близкой к скорости света . Полученный пучок направляется в вигглер .

Вигглер представляет собой магнит , создающий сильное поперечное (как правило, вертикальное) знакопеременное в пространстве магнитное поле. Его можно представить себе как последовательность коротких дипольных магнитов, ориентация полюсов у соседних противоположна.

Вигглер устанавливается в линейный промежуток электронного синхротрона , и ультрарелятивистский пучок, отклоняясь магнитным полем вигглера распространяется в нём по извилистой траектории, близкой к синусоиде, излучая фотоны, направление распространения которых сосредоточено в узком конусе вдоль оси пучка. Типичный диапазон длин волн синхротронного излучения, генерируемого вигглером, — от жёсткого ультрафиолетового излучения до мягкого рентгеновского излучения . Существуют также вигглеры с энергией генерируемых квантов до нескольких МэВ .

Вигглер, помещённый в резонатор Фабри — Перо (например, в виде двух параллельных зеркал), — простейшее устройство лазера на свободных электронах. Магниты вигглера могут быть обычными электромагнитами, сверхпроводящими, либо постоянными. Типичное магнитное поле вигглера — до 10 Тесла . Мощность получаемого синхротронного излучения — до сотен кВт — и зависит от тока пучка, от напряжённости поля, а также от количества полюсов магнитов вигглера, которое составляет от трёх до нескольких десятков.

Рентгеновский лазер требует использования ускорителей электронов с биологической радиационной защитой, поскольку ускоренные электроны представляют значительную радиационную опасность. Эти ускорители могут представлять собой циклические ускорители (например, циклотрон ) или линейные ускорители . Существует проект использования сверхмощного лазерного излучения для ускорения электронов . Сам электронный пучок распространяется в вакууме поддержание которого требует использования многочисленных насосов.

Применение

Применяется для кристаллографии и изучения строения атомов и молекул ( лазерная рентгеновская микроскопия ).

Рентгеновские лазеры, включая FEL, способны создавать «мягкое» рентгеновское излучение с длиной волны, используемой в медицинских целях. Оно не проникает даже через лист бумаги, но подходит для зондирования ионизированных газов с высокой плотностью ионизированных частиц (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 открывает 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 их преимущество: низкие энергозатраты, высокая частота повторения импульсов излучения и малую длину волны. Их гибкость делает их удобными во многих областях, включая область медицинского диагностирования, 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 . Этот лазер был запущен в работу 1 сентября 2017 года .

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 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 этих лазеров ведутся также в Лос-Аламосской национальной лаборатории , испытания полноразмерного прототипа намечены на 2018 год .

См. также

• Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах
• Рентгеновский лазер с ядерной накачкой
• Магнетрон

Примечания

Литература

• Рагозин Е. Н., Собельман И. И. (рус.) // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 2005. — Т. 175 , № 12 . — С. 1339—1341 . — doi : .
• Pellegrini C., Marinelli A., Reiche S. (англ.) // Rev. Mod. Phys. . — 2016. — Vol. 88 . — P. 015006 . — doi : .

Ссылки