Brīvo elektronu lāzers jeb FEL ir lāzers, kas rada īpaši spilgtu, ļoti stūra koncentrētu gaismas kūli ar izcili lielu koherenci un pīkstošu intensitāti — var teikt, ka tas ir "super lukturītis". Tam ir tās pašas optiskās īpašības kā parastajiem lāzeriem: tas izstaro staru kūli, kas sastāv no koherenta elektromagnētiskā starojuma, kas var sasniegt ļoti lielu jaudu. Tomēr FEL veido staru kūli, izmantojot principu, kas būtiski atšķiras no gāzes, šķidruma vai cietvielu lāzeriem (piem., diodu lāzeriem), kuros elektroni ir piesaistīti atomiem. FEL izmanto relatīvisma ātruma brīvas elektronu kūli kā lāzera vidi — elektronus, kas brīvi pārvietojas pa magnētisku struktūru — tāpēc arī nosaukums "brīvais elektrons". Brīvo elektronu lāzeriem ir visplašākais frekvenču diapazons no visiem lāzeru veidiem un tie ir ļoti noregulējami: to viļņu garums var aptvert mikroviļņus, teraherca un infrasarkano starojumu, redzamo spektru, ultravioletos un pat rentgena starus.

Darbības princips — kā tiek radīta koherentā gaisma

Galvenā FEL ideja: relativistiska ātruma elektronu stars tiek paātrināts un novadīts cauri periodiskam magnētiskajam laukam, ko rada tā sauktais undulators vai wiggler. Šis magnētiskais lauks liek elektroniem svārstīties (lociņoties) un izstarot sinhronizētu sinhrontronam līdzīgu starojumu. Sākotnējais starojums var būt nedaudz neregulārs, bet saskarsme starp izstaroto elektromagnētisko lauku un pašu elektronu kūli noved pie tā, ka elektroni sakrītā (mikroskalā) sakopojas — notiek microbunching pie viļņa garuma, kas izraisa koherentu pastiprinājumu. Rezultātā iznāk ļoti spilgts, koherents lāzera stars, kura intensitāte var eksponenciāli augt pa undulatora garumu.

Tipiska FEL ķēde satur:

  • elektronu pistoli (electron gun) — ģenerē īsus, intensīvus elektronu impulsus;
  • paātrinātāju (parasti lineārs paātrinātājs, linac) — paātrina elektronus uz nepieciešamo relativistisko enerģiju;
  • undulatoru/wiggleru — periodisku magnētisko struktūru, kurā rodas starojums;
  • optiskos elementus vai rezonatoru (dažos FEL veidos) un diagnostikas sistēmas, kas kontrolē starojumu un elektronu staru kvalitāti.

Galvenās režīmu atšķirības

Ir vairāki darbības režīmi:

  • SASE (Self-Amplified Spontaneous Emission) — sākas no termiskām vai kvantu svārstībām, kas tiek pastiprinātas līdz lāzera līmenim; šis režīms tiek plaši lietots rentgena FEL, jo tas neprasa optisko rezonatoru.
  • Seeding (sēšanas) režīms — sākotnēji tiek injicēts koherents gaismas impulss (sēkla), kas nodrošina labāku kontroles pakāpi pār viļņa fāzi un spektru.
  • Oscillator — tradicionāls rezonators, ko izmanto infrasarkanā un redzamā diapazona FEL, lai sasniegtu stabilu svārstību režīmu.

Raksturojums un tehniskie parametri

FEL raksturo:

  • lieliska viļņa garuma noregulējamība — viļņa garums tiek mainīts, mainot elektronu enerģiju vai undulatora magnētisko lauku/periodu;
  • īsi impulsi — bieži femtosekundes (10^-15 s) vai pat atosekundes (10^-18 s), kas ļauj pētīt ultrāātras ķīmiskas un fizikālas parādības;
  • ļoti liels spilgtums un momentānā jauda — ļauj iegūt attēlus un difrakcijas datus no vienas daļiņas vai ātras dinamiskas parādības;
  • daļēja vai pilnīga koherence — atkarībā no režīma, var iegūt gan spektrālu, gan telpisku koherenci.

Lietojumi

FEL izmanto plašā spektrā zinātnē un industrijā:

  • strukturāla bioloģija (protein difrakcija un "single-particle imaging");
  • ātras ķīmiskas reakcijas un pāreju studijas (pump–probe eksperimenti);
  • materiālu zinātne (ultrastrukturāla analīze, dinamiskie procesi);
  • nanolitogrāfija un rūpnieciskās apstrādes metodes;
  • medicīnas attīstība (diagnostika, potenciālie terapijas pētījumi);
  • būtiskie pētījumi fundamentālajā fizikā un plazmas pētījumos.

Vēsture un attīstība

Brīvo elektronu lāzerus 1976. gadā Stenfordas Universitātē izgudroja Džons Madey (John Madey). Darbs balstījās uz Hansa Motča un viņa līdzstrādnieku 1953. gada darbiem, kuros Stenfordā izgatavoja pirmo undulatoru, izmantojot to, ko vēlāk dēvēja par "wiggler" magnētisko konfigurāciju. Madey izmantoja 24 MeV elektronu staru un 5 m garu wiggleru, lai demonstrētu pastiprināšanos. Kopš tā laika FEL tehnoloģija ir ievērojami attīstījusies — izveidotas lielas starptautiskas iestādes, piemēram, Linac Coherent Light Source (LCLS), European XFEL, FLASH u.c., kas ražo intensīvus rentgena impulsus dažādiem pētījumiem.

Energijas patēriņš un enerģijas reģenerācija

FEL sistēmas parasti patērē ievērojamu elektroenerģijas daudzumu, jo nepieciešams paātrinātus un ļoti kvalitatīvus elektronus. Lai mazinātu enerģijas izmaksas, tiek izstrādātas un izmantotas enerģijas reģenerācijas lineārās paātrinātāji (ERL). ERL konceptā augstas enerģijas elektronu kūlis pēc sadarbības ar undulatoru tiek atgriezts atpakaļ pa paātrinātāju ar tādu fāzi, ka tā kinētiskā enerģija tiek pārnesta atpakaļ uz RF sistēmu — tādējādi vairākkārtēji izmantot ievadi un ievērojami samazināt tīro enerģijas patēriņu.

Izaicinājumi un nākotnes virzieni

Galvenie izaicinājumi FEL attīstībā ir saistīti ar nepieciešamību pēc augstas kvalitātes elektronu staru (zems izkliedes koeficients, liels šaura zibspuldzes līmenis), precīzas sinhronizācijas, komponentu izturības un energoefektivitātes. Nākotnē tiek pētītas kompakta izmēra FEL ierīces, uzlabotas seeding metodes, attosekundes pulsas, un plašāka ERL ieviešana, kā arī tehnoloģijas, kas padarītu rādītājus pieejamākus mazākām laboratorijām.

Nobeigumā: FEL ir ļoti jaudīgs, ārkārtīgi daudzpusīgs rīks modernajai zinātnei — no pamatzinātnes līdz praktiskām lietojumprogrammām. Tā unikālā spēja radīt augstas intensitātes, ļoti īsus un viegli noregulējamus impulsus padara to par neaizstājamu instrumentu daudziem pētījumu laukiem.