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LASER DE ELECTRONES LIBRES
INTRODUCCIÓN
FEL es una abreviación de láser de electrones libres, es un dispositivo de
amplificación de radiación por emisión estimulada en longitudes de onda corta,
usando un haz de electrones relativistas.
La radiación del FEL es usualmente causada por pasar el electrón bajo un
dispositivo magnético conocido como “undulador” o “contoneador” en que los
electrones son forzados a realizar una trayectoria en el espacio de un periodo de
oscilación, el ondulador puede ser un campo helicoidal, producido por un
embobinado bifiliar helicoidal, lo cual guiará al electrón a lo largo de una cercana
guía orbita helicoidal, o puede ser el campo linealmente polarizado compuesto por
una colocación de magnetos alternamente polarizados.
Un ondulador puede ser un dispositivo electroestático, o quizá igual
a una onda de luz altamente intensa. El FEL usualmente opera en el vacío.
Una cercana relación del FEL son los dispositivos tales como el orotron que
usa el efecto Smith-Purcell (donde el electrón radia mientras pasa sobre una
rejilla) o dispositivos que implica movimientos de electrones de espiral y no
un ondulador (que son relacionados con el girotron o maser ciclotron). En
todos lo dispositivos del FEL no sólo se encargan meramente con la emisión
espontánea o radiación de ruido, sino también con el proceso de emisión
inducida, que descarga apreciables cantidades de potencia.
Los laseres de electrones libres son fuentes muy flexibles de la
radiación coherente, debido a su amplia gama ajustable y alto brillo. Se
efectua que el mecanismo físico que produce la emisión coherente en un
láser de electrón libre, es la interacción entre un haz electrónico relativista
y un campo magnetostático con una configuración espacial particular,
mientras que en un láser convencional la emisión estimulante de un átomo
o un sistema molecular
FEL puede proporcionar alta energía máxima y ancho de línea
corto del pulso o estrecho en la operación de pulso largo, dependiendo de
las características del aparato.
Muchos usos han sido posibles por las características peculiares
de FELs en los campos de la espectroscopia, de la física de estado sólido,
de la biología y de la medicina.
Como esta compuesto un láser de electrones libres?
Un láser de electrones libres esencialmente se compone de tres
porciones: un acelerador de electrones, un undulator magnético y un
resonador óptico
Los electrones son forzados por el campo magnético en una
trayectoria oscilante, así emitiendo la radiación del sincrotrón. En la
referencia de marco del electrón entre el proceso puede también ser visto
como dispersión el haz electrónico y los fotones virtuales del undulator.
Si un campo externo está presente, la radiación se emite en fase con
este campo externo. Como la interacción entre el campo del láser, el
campo magnético estático del undulator y el haz electrónico, tiene un
efecto final de agrupar espacialmente los electrones en la escala de la
longitud de onda de la radiación, y la transferencia de la energía del haz
electrónico al campo del láser. El undulator se puede considerar como el
equivalente del "medio activo" de un sistema convencional del láser,
mientras que el haz electrónico es el equivalente del "sistema de
bombeo"
Debido al láser de electrones libres las características peculiares
pueden, en el principio, cubrir más el espectro electromagnético de la
región de microonda al ultravioleta del vacío: la longitud de onda de la
radiación emitida, depende de la energía del electrón y de la magnitud,
y de la periodicidad del campo del imán del undulator, según la relación
siguiente:
La acción de un laseo es llevado a cabo en un FEL cuando un haz de
electrones brillantes interactúan con ondas EM de radiación mientras viajan
a través de un campo magnético periódico. Bajo ciertas condiciones, la
densidad longitudinal del haz del electrones vienen modulando en
longitudes de onda de la luz.
Los electrones se inclinan en un campo magnético que emite
radiación del sincrotón en un fino cono a lo largo de la dirección instantánea
de movimiento del electrón, y por lo tanto el campo eléctrico de esta
radiación es predominantemente transversal para la dirección común del haz
electrónico.
Radiación coherente e incoherente del grupo de electrones
Cuando esto ocurre, pocos electrones están contenidos en un región
en que la radiación de la longitud de onda es emitida coherentemente por el
sincrotón, es decir, la intensidad de la luz emitida es proporcional al cuadrado
del número de electrones, en vez de incrementar sólo linealmente con el
número de electrones, como es el caso normal con la radiación del sincrotrón
Al incrementarse la intensidad, interactúa con el haz de electrones
que pasa a través de un campo magnético inclinando el modulo del conjunto de
densidad, posteriormente incrementando la intensidad de la luz. El resultado es
un incremento en la exponencial de la potencia radiada, últimamente
alcanzando alrededor de diez ordenes de magnitud, por arriba de la radiación
convencional del sincrotón
En el esquema de abajo se muestra como varios aceleradores
pueden ser usados por el FEL operando en diferentes dominios del
espectro. Interacciones con el FEL son poco locales en tipos, en un láser
convencional, dando una densidad uniforme y un bombeo, la ganancia
del medio no depende de la posición del átomo.
En un FEL los electrones convergen a lo largo del sistema, están agrupados y
quizá atrapados dentro de las ondas, o afuera interactúa en una manera que
dependen de las condiciones necesarias. La ganancia depende sobre la dirección
de la onda electromagnética amplificada (EM).
La longitud de onda del FEL depende de parámetros externos- la periocidad
del ondulador y la energía del haz- en vez de uno fijo, transiciones internas dentro
de un átomo.
Hay un grado de coherencia en el sistema del FEL que tiene el hecho de que el
electrón experimenta N periodos de movimiento oscilatorio en el ondulador. Hay
una posterior mejora de coherencia cuando el FEL es construido para oscilar para
aplicar óptica retroalimentación en un resonador de Fabry-Perot. No obstante, la
coherencia de radiación del FEL no puede ser igualada con el láser de gas.
Si en un FEL el proceso de radiación puede ser entendido clásicamente. La
diferencia en un átomo excitado, un electrón no decae, también el electrón es
capaz de transiciones de multifotones a un cuando la transición es débil.
Descripciones mecano-cuánticas del FEL no han sido esencialmente en este
tiempo, puesto que el número de fotones y electrones es grande, pero es
costumbre dibujar sobre tales modelos si se clarifica el entendimiento.
La extensión del FEL opera dentro del UV y muy cercano a la región de
Rayos X que puede cambiar esta situación algo.
CARACTERISTICAS DEL FEL
Las características atractivas de FELs (e.g. sincronización, alta
energía de la salida) son compensadas generalmente por algunas
desventajas, tales en tamaño grande, alto costo y complejidad del
sistema.
Sin embargo, hay una gama de longitud de onda, no cubierta por las
fuentes de láser convencionales, donde el FEL puede resolver el requisito
de la compacticidad: la región lejana del infrarrojo y del submilimetro
(secundario-milimetro). Muchos usos se han propuesto en esta región
espectral, extendiéndose de la física de estado sólido a la biofísica y a la
física nuclear.
El desarrollo del FEL en las ventajas espectrales de esta región son
•
El uso de los aceleradores bajos de la energía permite la reducción
de costo y tamaño del aparato; por otra parte la limitación en energía por
debajo de 10 meV (umbral para la producción del neutrón) reduce los
problemas de la radiación que brindan seguridad.
•
El uso de los espejos transparentes del electrón (ETM) en las
longitudes de ondas largas permite el uso de un canal muy simple del
transporte, más a futuro reduciendo el tamaño y la complejidad del
aparato.
•
Los requisitos en la calidad del haz electrónico son menos severos
en las longitudes de ondas largas.
•
Las características de la dispersión del resonador de la guía de onda
proporcionan control adicional sobre las características espectrales de la
radiación emitida.
•
Un número de usos posibles se han propuesto para un FEL en el
infrarrojo y en la región secundario-milimetro.
La ventaja principal del funcionamiento en una guía de onda es la
posibilidad de tener un modo óptico de la sección transversal pequeña y
constante, que se puede propagar con la atenuación bajo a lo largo de la
guía de onda. Esto da lugar a un factor que llena mejor con respecto al haz
electrónico.
También permite el diseño de un undulator con un boquete pequeño
entre los postes del imán, para poder obtener altos valores del campo
magnético incluso con períodos cortos del undulator. Ambos crecimientos
del efecto, el aumento del FEL.
Para las energías del electrón en la gama entre el aumento significativo del
2 y 5 meV se obtiene también para un número pequeño de períodos, así
haciendo posible la operación del FEL con un undulator corto y un
resonador corto.
Un requisito importante para una radiofrecuencia (RF) FEL conducida,
es el emparejar entre la época redonda del viaje de los pulsos ópticos en la
cavidad y el espaciamiento del manojo del electrón. Explotando las
características de la dispersión de la guía de onda, es posible retrasar la
velocidad de la onda, permitiendo la superposición del manojo del
electrón y del pulso ligero, todo sobre la región de la interacción
(operación cero del resbalamiento).
APLICACIONES
Una rápida e inspección del espectro (figura 3) muestra que el FEL
debe ser novedoso en el rango espectral donde son pocas las fuentes
coherentes, e.g. en el submilimetro y el ultravioleta
Sin embargo, un FEL en el dominio del submilimetro no necesita
ocupar un espacio grande que un típico láser molecular submilimetro. A un
cercano al IR y regiones espectrales del visible. El FEL puede competir
con laseres convencionales en ciertas aplicaciones donde la ajustavilidad,
potencia o eficiencia es importante.
Pulsos del FEL pueden ser cortos en coparación que el tiempo de
relajación molecular. Por lo tanto ambos procesos químicos pueden ser
precisamente controlados. Una eficiencia del FEL contribuiría al
entendimiento, también como la explotación comercial de reacciones
químicas del láser inducido.
Donde una fotodisasociasión de una molécula catalizaría la formación
de grandes números de otras moléculas. En el lejano del IR [~100m],
donde la energía del fotón es KT, el FEL podría ser usado en el estudio
superficial en el estado de Van der Waals. Ancha ajustavilidad y alta
eficiencia hacen del FEL en la separación y enriquecimiento del isótopo
láser.
Otra útil propiedad del FEL en el modo del corto pulso de operación
(cuando el FEL es asociado con el microtron, rf Linac, o el aro de
almacenamiento). Los cortos pulsos (figura 4) unos cuantos de pico
segundos, son bien igualados al estudio de varias excitaciones (figura 5).
Hay además un abundancia importante de datos que pueden extraerse con
una facilidad del lejano IR del FEL dedicado al estudio del estado sólido,
Espectroscopia nolineal y estudios trascienden que sería el principal
beneficiario de un pulso en el lejano de IR del FEL.
El anterior fenómeno incluye emisión estimulada, dispersión inelástica
desde excitación electrónica, bombeo óptico, etc. El ultimo implica el
mecanismo de transferencia de energía en sistemas moleculares, sólido y
líquido, incluyendo la relación del gas de electrón- hueco en
semiconductores.
Otras posibilidades incluyen la investigación de el tiempo de dispersión
de quasiparticulas en superconductores excitados, estudio de propagación
de fonones e interacción, la excitación y relajación del gas de electrones
en dos dimensiones en MOSFET:
El alto promedio de potencia capaz de el FEL en 1/2mm sugiere
una aplicación en el calentamiento de plasmas que contiene un fuerte
campo magnético por resonancia del ciclotron
del electrón,
calentamiento o diagnostico de plasmas en altas  (=8KT / B2) Para
varias aplicaciones de fusión de energía.
En láser inducidos de fusión nuclear, hay una necesidad para alta
potencia , cortos pulsos de radiación en 1/3m, con total eficiencia de
varios porcientos, y entrega de 1MJ en efectivo.
Hay muchas aplicaciones para intensas fuentes ajustables de UV.
Particularmente en la ciencia del estado sólido. EL desarrollo del FEL en
rayos-X seria invaluable para tales propósitos, como en la fabricación de
alta resolución óptica para interferometría de rayos-X y holografía.
El FEL pude contribuir en la cirugía de láser y medicina de foto
radiación. Para cirugía, el pequeño tamaño de la mancha y tener la
intención de ajustamiento de que la longitud de onda depende del efecto
particular de un tejido que puede ser obtenido.
En medicina foto radiactiva, tintes son inyectados dentro del tejido y
después de la actividad en una especificada longitud de onda, una
activación de una tinta podría realizar oxigeno libre. Tintes pueden ser
unidos con antibióticos que son realzados en las ocasiones especificas
por la luz del láser, además tintes se vuelven accesibles para este tipo de
trabajo.Una relativa baja de potencia del FEL podría por lo tanto
encontrar aplicación en un hospital.
A "Free Electron Laser" for
wavelengths down to 6 nm in the
vacuum-ultraviolet and soft X-ray
regime (VUV FEL) is under
construction at the TESLA Test
Facility (TTF) at DESY - Deutsches
Elektronen-Synchrotron in Germany.
It is operated in the "self-amplified
spontaneous emission" (SASE)
mode and delivers sub-picosecond
radiation pulses, with gigawatt peak
powers. At present, lasing has been
observed down to 80 nm, the
shortest wavelength ever achieved
with a free electron laser. First
experiments using this unique
radiation are carried out around 100
nm. For this wavelength, saturation
of the FEL amplification has been
obtained in September 2001 (Info).
In addition, an X-ray FEL
laboratory for wavelengths just
below 0.1 nm is proposed to be built
within the TESLA project.
Due to the short pulse length and
their high peak brilliance these FELs
will open up exciting new paths for
basic research and applicationoriented studies, giving scientists,
for example, insight into hitherto
unknown properties of materials.
Aerial view of the experimental hall (Bldg. 28c) for
the FEL User Facility (center) and the tunnel for the
TTF phase 2 extension behind it (covered with
grass). The hall in the upper right corner houses the
TTF phase 1 FEL.
First experiments
with the VUV FEL
beam in Phase 1 of
the TESLA Test
Facility in DESY.
Experimental area for FEL photon diagnostics and
first experiments
at the end of the TTF Phase 1 linac tunnel. Please
click on the image for an enlarged version
Photo of the Jefferson Lab Free Electron Laser building USA. The laser is on a
lower floor, with laboratories located on an upper level.
Investigación
sobre
sistema avanzado de FEL
Investigación en FEL en la
gama de la radiografía y se
realiza la gama de Terahertz,
tan bien como el desarrollo de
la fuente del haz electrónico
del alto-brillo (sistema de
photocathode/RF gun) y del
micro-undulator
con
un
período de la gama del
milímetro. La investigación
sobre la radiografía FEL se
basa en la emisión espontánea
amplificada
uno
mismo
(SASE) que usa el microundulator.
La
radiación
coherente del sincrotrón de
manojos ultra-cortos del
electrón se utiliza para FEL
en la gama de THz.
Free Electron Laser Research Group
The Free electron laser (FEL) utilizes
light amplification by a relativistic electron
beam with wiggly motion under alternating
magnetic fields. The wavelength of the FEL
can be tuned freely by changing the electron
energy or the magnetic field strength.
The research group has continued R&D to
realize a high power FEL by using a
superconducting radio frequency (rf) linear
accelerator (linac) that has very low rf losses
for accelerating the electron beam. In
February 1998 the research group succeeded
in the laser oscillation at the then worldhighest power of 0.1 kilowatt in the farinfrared region (5 - 30mm), and recently
achieved over 2 kilowatts in 2000.
Application of the FEL to decompose
harmful materials in the environment is
being tested, and basic research to shorten
the FEL wavelength is also under study.
Photograph of the superconducting rf linac
based FEL
The 20MeV (20 million electron volts)
superconducting rf linac based FEL installed
in the FEL accelerator vault. Because rf losses
can be neglected in the superconducting
accelerator cavity, a high power FEL can be
realized.