Λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων
Το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων, ή FEL, είναι ένα λέιζερ που παράγει μια πολύ φωτεινή δέσμη φωτός. Πρόκειται ουσιαστικά για έναν σούπερ φακό. Έχει τις ίδιες οπτικές ιδιότητες με τα συμβατικά λέιζερ, όπως η εκπομπή δέσμης που αποτελείται από συνεκτική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία η οποία μπορεί να φτάσει σε υψηλή ισχύ. Το FEL χρησιμοποιεί αρχές λειτουργίας για τη δημιουργία της δέσμης που είναι πολύ διαφορετικές από τις αρχές λειτουργίας ενός συμβατικού λέιζερ. Σε αντίθεση με τα λέιζερ αερίου, υγρού ή στερεάς κατάστασης, όπως τα διοδικά λέιζερ, στα οποία τα ηλεκτρόνια διεγείρονται ενώ είναι δεσμευμένα σε άτομα, τα FEL χρησιμοποιούν μια σχετικιστική δέσμη ηλεκτρονίων ως μέσο εκπομπής λέιζερ, η οποία κινείται ελεύθερα μέσα σε μια μαγνητική δομή, εξ ου και ο όρος ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων έχει το ευρύτερο φάσμα συχνοτήτων από κάθε τύπο λέιζερ και μπορεί να είναι ευρέως ρυθμιζόμενο, με μήκος κύματος που σήμερα κυμαίνεται από τα μικροκύματα, μέσω της ακτινοβολίας terahertz και της υπέρυθρης ακτινοβολίας, στο ορατό φάσμα, στο υπεριώδες και στις ακτίνες Χ.
Τα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων εφευρέθηκαν από τον John Madey το 1976 στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Το έργο βασίζεται στην έρευνα που έγινε από τον Hans Motz και τους συνεργάτες του, οι οποίοι κατασκεύασαν τον πρώτο αναδιεγέρτη στο Στάνφορντ το 1953 χρησιμοποιώντας τη μαγνητική διάταξη wiggler, η οποία βρίσκεται στην καρδιά ενός λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων. Ο Madey χρησιμοποίησε μια δέσμη ηλεκτρονίων 24 MeV και ένα wiggler μήκους 5 μέτρων για να ενισχύσει ένα σήμα. Αμέσως μετά, άλλα εργαστήρια με επιταχυντές άρχισαν να αναπτύσσουν τέτοια λέιζερ.
Τα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων χρησιμοποιούν πολύ ηλεκτρική ενέργεια κατά τη λειτουργία τους. Για να μειώσουν την ενέργεια που απαιτείται για τη συνέχιση της λειτουργίας τους, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν έναν γραμμικό επιταχυντή ανάκτησης ενέργειας για την ανακύκλωση της δέσμης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας που ενεργοποιεί το λέιζερ.
Λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων FELIX στο FOM (Nieuwegein)
Ερωτήσεις και απαντήσεις
Ερ: Τι είναι το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων;
A: Το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων, ή FEL, είναι ένα λέιζερ που παράγει μια πολύ φωτεινή δέσμη φωτός. Έχει τις ίδιες οπτικές ιδιότητες με τα συμβατικά λέιζερ, όπως η εκπομπή δέσμης που αποτελείται από συνεκτική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία η οποία μπορεί να φτάσει σε υψηλή ισχύ. Σε αντίθεση με τα λέιζερ αερίου, υγρού ή στερεάς κατάστασης, όπως τα διοδικά λέιζερ, στα οποία τα ηλεκτρόνια διεγείρονται ενώ είναι δεσμευμένα σε άτομα, τα FEL χρησιμοποιούν μια σχετικιστική δέσμη ηλεκτρονίων ως μέσο εκπομπής λέιζερ που κινείται ελεύθερα μέσα σε μια μαγνητική δομή.
Ερ: Ποιο εύρος συχνοτήτων καλύπτει το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων;
Α: Το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων έχει το ευρύτερο φάσμα συχνοτήτων από κάθε τύπο λέιζερ και μπορεί να συντονιστεί ευρέως. Σήμερα κυμαίνεται σε μήκος κύματος από τα μικροκύματα, μέσω της ακτινοβολίας terahertz και της υπέρυθρης ακτινοβολίας, έως το ορατό φάσμα, το υπεριώδες και τις ακτίνες Χ.
Ερ: Ποιος εφηύρε το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων;
Α: Τα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων εφευρέθηκαν από τον John Madey το 1976 στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.
Ερ: Τι χρησιμοποιήθηκε για την ενίσχυση των σημάτων για τα πρώτα πειράματα με FEL;
Α: Για τα πρώτα πειράματα με FELs ο John Madey χρησιμοποίησε μια δέσμη ηλεκτρονίων 24 MeV και ένα wiggler μήκους 5 μέτρων για την ενίσχυση των σημάτων.
Ερ: Ποιος ανέπτυξε μια προηγούμενη εκδοχή αυτού που θα γινόταν FEL;
Α: Ο Hans Motz και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν μια προγενέστερη έκδοση αυτού που θα γινόταν FEL στο Stanford το 1953 χρησιμοποιώντας τη μαγνητική διάταξη wiggler που αποτελεί την καρδιά ενός λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων.
Ερ: Πόση ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιούν τα FEL κατά τη λειτουργία τους;
Α: Τα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων χρησιμοποιούν πολύ ηλεκτρική ενέργεια όταν λειτουργούν.
Ερ: Πώς μπορούν οι επιστήμονες να μειώσουν την ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία τους;
Α: Για να μειώσουν την ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία οι επιστήμονες χρησιμοποιούν έναν γραμμικό επιταχυντή ανάκτησης ενέργειας για την ανακύκλωση της δέσμης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας που ενεργοποιεί το λέιζερ.
