Frielektronlaser – princip, historia och tillämpningar

Frielektronlaser – lär dig principen, historien och banbrytande tillämpningar för tunbara, högintensiva lasrar från mikrovågor till röntgen.

En frielektronlaser (FEL) är en laser som producerar extremt ljusstarka och korta ljuspulser. Den fungerar i grunden som en mycket kraftfull, riktad ljuskälla — lite som en "superficklampa" i överförd betydelse — men med samma optiska egenskaper som konventionella lasrar: den avger en stråle bestående av koherent elektromagnetisk strålning som kan nå mycket hög effekt. Till skillnad från gas-, vätske- eller fasta lasrar där ljuset alstras av elektroner bundna i atomer eller molekyler, använder en FEL en relativistisk elektronstråle som rör sig fritt genom en magnetisk struktur — därav namnet fri elektron. Frielektronlasern har det bredaste frekvensområdet av alla lasertyper och är mycket ställbar: våglängden kan sträcka sig från mikrovågor via terahertz och infraröd till det synliga spektrumet, ultraviolett och ända upp till röntgenstrålning.

Princip

Kärnan i en FEL är en relativistisk elektronkanon (accelerator) som skickar ut en välfokuserad och energirik elektronstråle genom en periodisk magnetstruktur kallad undulatorn eller wigglern. De växlande magnetfälten tvingar elektronerna att svänga fram och tillbaka och då skickar de ut synkrotronstrålning. Under rätt betingelser samordnar elektronerna sin fas (så kallad mikro-bunchning) och utsändningen blir koherent — fältet växer exponentiellt och ger en mycket intensiv, koherent stråle.

En förenklad relation som beskriver utgångsvåglängden λ från en undulator är

λ ≈ λ_u / (2 γ^2) · (1 + K^2/2)

där λ_u är undulatortakten (periodlängden), γ är elektronernas relativistiska Lorentzfaktor (beroende på energi) och K är undulatorkonstanten som beskriver styrkan i magnetfältet. Genom att ändra elektronenergin eller undulatorns parameter K kan man alltså ställa in våglängden över stora intervall.

Driftslägen:

• SASE (Self-Amplified Spontaneous Emission): lasern startar från elektronernas slumpmässiga strålningsbrus och förstärker detta till stark, koherent strålning. Vanligt i röntgen-FEL.
• Oscillator- eller seedad FEL: en extern laser (seed) eller en optisk resonator används för att styra fas och koherens, vilket ger bättre spektral renhet och kortare uppvärmningstid.

Teknisk uppbyggnad och drift

En FEL består vanligtvis av följande huvudkomponenter:

• En elektronkälla och en linjär accelerator (linac) som ger elektronerna hög energi och låg energispridning.
• Magnetiska fokus- och styrsystem för att hålla strålen välformad.
• En undulatorn/wiggler där elektronernas svängning och koherent emission sker; undulatorer kan vara plana (linjär polarisation) eller helicala (cirkulär polarisation).
• Beamlines och optik för att transportera och forma den producerade strålen till experimentstationerna.

FEL-anläggningar kräver mycket elektrisk energi, främst för att driva acceleratorn. För att minska driftskostnader och krav på effekt använder vissa anläggningar en linjär accelerator för energiåtervinning (ERL), där den utblåsta elektronstrålen återinmatas i en acceleratorfas med omvänd fas för att avlämna sin kvarvarande energi tillbaka till RF-systemet — detta återvinner betydande mängder energi och ökar energieffektiviteten.

Historia

Idén att använda fria elektroner i periodiska magnetfält för att skapa koherent strålning byggde på tidiga experiment med undulatorer. Forskning av Hans Motz och hans team ledde till konstruktionen av den första moderna undulatorn vid Stanford på 1950-talet. Den första fungerande frielektronlasern demonstrerades av John Madey vid Stanford University på 1970-talet (Madey 1976), där han använde en flera tiotals MeV elektronstråle och en flera meter lång undulator för att åstadkomma förstärkning av en insatt signal. Efter detta följde snabb utveckling och etablering av FEL-laboratorier och senare stora användarfaciliteter världen över.

Tillämpningar

Frielektronlasrar används i en mängd vetenskapliga och tekniska tillämpningar tack vare sin höga ljusstyrka, korta pulslängder (typiskt femtosekunder till pikosekunder) och breda ställbarhet:

• Strukturstudier av material, biomolekyler och katalysatorer med röntgen- och ultraviolett FEL (röntgen-FEL möjliggör så kallad ”femtosekundkristallografi” och tidsupplösta experiment).
• Fysikaliska studier av snabba processer: kemiska reaktioner, fasövergångar, elektroniska dynamiker.
• Medicinsk forskning och bildteknik där hög upplösning och korta pulser krävs.
• Industriella applikationer som avancerad litografi, materialbearbetning och karakterisering.
• Terahertz- och mikrovågs-FEL tillämpas i säkerhetsteknik, spektroskopi och materialanalys.

Större användarfaciliteter som LCLS (SLAC), Stanford-relaterade laboratorier, European XFEL, SACLA (Japan), FLASH och FERMI har gjort FEL-tekniken tillgänglig för internationella forskare och industripartners.

Fördelar och begränsningar

Fördelar:

• Extremt hög toppintensitet och briljans jämfört med synkrotronljus.
• Kort pulsvaraktighet (femtosekundskala) möjliggör tidsupplösta experiment på atomär skala.
• Bred spektral ställbarhet och möjlighet till polarisationskontroll.

Begränsningar:

• Mycket kostsamma anläggningar med stora krav på infrastruktur och driftenergi.
• Komplex drift som kräver avancerad accelerator- och laserteknik.
• Vissa tekniker (t.ex. SASE) kan ge begränsad spektral renhet utan extern seeding.

Framtid

Utvecklingen går mot mer energieffektiva lösningar (t.ex. ERL), bättre seeding-tekniker för högre koherens, kompaktare acceleratorkällor (plasmaacceleratorer) och bredare användning inom industri och medicin. Fortsatt teknisk utveckling förväntas göra FEL mer tillgängliga och ge nya möjligheter att studera materiens dynamik på ultrakorta tidsskalor.

Frågor och svar

Fråga: Vad är en frielektronlaser?

F: Vilket frekvensområde täcker frielektronlasern?

F: Vem uppfann frielektronlasern?

F: Vad användes för att förstärka signalerna vid de första experimenten med FEL:s?

Fråga: Vem utvecklade en tidigare version av det som skulle bli en FEL?

F: Hur mycket elektricitet förbrukar FEL:er när de är i drift?

F: Hur kan forskarna minska den energi som behövs för driften?

Sök med bokstav