Frielektronlaser (FEL): Hvad det er og hvordan den virker

Frielektronlaser (FEL): kraftfuld, justerbar laser med fri elektronstråle og wiggler-magnet, dækker mikrobølger til røntgen — princippet og anvendelser forklaret.

En frielektronlaser, eller FEL, er en laser, der producerer en meget lysstærk lysstråle. Det er i princippet en super lommelygte. Den har de samme optiske egenskaber som konventionelle lasere, f.eks. at den udsender en stråle bestående af kohærent elektromagnetisk stråling, som kan nå op på en høj effekt. FEL'en anvender driftsprincipper til at danne strålen, som er meget forskellige fra en konventionel lasers driftsprincipper. I modsætning til gas-, væske- eller faststoflasere som f.eks. diode-lasere, hvor elektroner er exciteret, mens de er bundet til atomer, anvender FEL'er en relativistisk elektronstråle som lasermedium, der bevæger sig frit gennem en magnetisk struktur, deraf betegnelsen fri elektron. Frie-elektronlaseren har det bredeste frekvensområde af alle lasertyper og kan indstilles i vid udstrækning, idet bølgelængden i øjeblikket spænder fra mikrobølger over terahertzstråling og infrarødt til det synlige spektrum, ultraviolet og røntgenstråler.

Frielektronlasere blev opfundet af John Madey i 1976 på Stanford University. Arbejdet bygger på forskning udført af Hans Motz og hans medarbejdere, som lavede den første undulator på Stanford i 1953 ved hjælp af den magnetiske wiggler-konfiguration, som er kernen i en frielektronlaser. Madey brugte en 24 MeV elektronstråle og en 5 m lang wiggler til at forstærke et signal. Snart derefter begyndte andre laboratorier med acceleratorer at udvikle sådanne lasere.

Frielektronlasere bruger en masse elektricitet, når de fungerer. For at reducere den energi, der er nødvendig for at holde dem i drift, bruger forskerne en lineær accelerator til at genbruge den højenergi-elektronstråle, der aktiverer laseren.

Hvordan den virker

En frielektronlaser bygger på tre hovedkomponenter: en kraftig elektrongenerator (accelerator), en magnetisk struktur kaldet en undulator eller wiggler og et sted hvor den udsendte elektromagnetiske stråling kan forstærkes. Når en relativistisk elektronstråle passerer gennem en undulator, tvinger de vekslende magnetfelter elektronerne til at svinge sideret og dermed udsende synkrotronstråling. Interaktionen mellem elektronstrålen og det udsendte lys kan føre til, at elektronerne organiserer sig i korte "mikrobunches" med samme rumlige periode som lysets bølgelængde. Disse mikrobunches udsender i fællesskab lys i fase, hvilket giver en kraftig, kohærent forstærkning.

Et centralt begreb er resonansbetingelsen, som bestemmer den udledte bølgelængde λ fra undulatoren. En forenklet form af betingelsen er:

λ ≈ (λ_u / (2 γ^2)) · (1 + K^2/2),

hvor λ_u er undulatorens periode, γ er Lorentz-faktoren (relativistisk energi af elektronen) og K er en parameter, der beskriver undulatorens styrke. Ved at ændre disse parametre kan FEL'en afstemmes over et stort spektrum.

Driftsmåder

• SASE (Self-Amplified Spontaneous Emission): Starter fra elektronens egen tilfældige støj og giver meget høje effekttoppe, især i røntgenområdet. SASE-FEL'er er udbredte men kan have begrænset temporal kohærens.
• Seeded FEL'er: Her bruges en ekstern laser som "seed" for at opnå bedre kohærens og mindre spektral bredde. Metoder som HGHG og EEHG bruges til at generere korte bølgelængder med høj koherens.
• Oscillator-FEL: Har et optisk resonator (spejle) og fungerer godt i infrarødt til UV, men ikke ved korte røntgen-bølgelængder pga. manglende egnede spejle.
• Energy Recovery Linacs (ERL): En moderne tilgang, hvor energien fra udtjent elektronstråle genvindes for at reducere strømforbruget og øge gentagelseshastigheden.

Typer af anlæg

Fel-anlæg kan være store faciliteter med lineære acceleratorer (linacs) eller være baseret på lagringsringe. De mest kraftfulde røntgen-FEL'er benytter typisk superconducting eller normalconducting linacs for at opnå de høje elektronenergier og korte pulser, som kræves for at producere røntgenstråling.

Egenskaber og ydeevne

• Ekstremt høj top-lysintensitet (meget høj peak-brightness).
• Meget korte pulser i femtosekund- til pikosekund-området, hvilket giver mulighed for at følge ultrahurtige processer.
• Bred tunbarhed: fra mikrobølger til bløde og hårde røntgenstråler.
• Mulighed for både høj rumlig og delvis temporal kohærens (afhængig af driftsmetoden).

Anvendelser

Frielektronlasere bruges i en lang række videnskabelige og industrielle sammenhænge:

• Strukturbiologi: røntgenkrystallografi og single-particle-imaging af biomolekyler.
• Materialeforskning: tidopløste studier af faseovergange, magnetiske processer og elektron-dynamik.
• Kemi og katalyse: ultrahurtige reaktionsforløb kan "filmes" med femtosekund-opløsning.
• Medicinsk forskning: avanceret billeddannelse og stråleterapiudvikling.
• Nanoteknologi og litografi: fremstilling og karakterisering af nanostrukturer.

Fordele og udfordringer

Fordele:

• Enestående lysstyrke og tidsmæssig opløsning.
• Stor fleksibilitet i valg af bølgelængde.
• Mulighed for at undersøge dynamiske processer på atomart tidsskala.

Udfordringer:

• Store anlæg med høj pris og kompliceret infrastruktur.
• Stort energiforbrug og behov for avanceret køling og strålingsbeskyttelse.
• Krav til ekstrem stabilitet i accelerator- og magnet-opsætning.
• Begrænset brugeradgang på grund af intensivt planlagte eksperimentkøer.

Nyere udviklinger

Forskning fokuserer på at gøre FEL'er mere kompakte, effektive og kohærente. Eksempler på retninger er:

• Superconducting høj-repetitionshastighed linacs for høj gennemsnitseffekt.
• Energy Recovery Linacs (ERL) for bedre energieffektivitet.
• Seeding-teknikker for at forbedre spektral og temporal kohærens.
• Udvikling af tabletop-FEL koncepter baseret på laser-plasma-acceleratorer, som på længere sigt kan reducere anlægsstørrelse.

Eksempler på faciliteter

Der findes flere store internationale FEL-faciliteter, som er centrale for moderne forskning (eksempler uden fuld liste):

• XFEL-anlæg i forskellige lande (store røntgen-FEL'er).
• Free-electron laser testfaciliteter og nationale brugeranlæg til infrarød/ultraviolet forskning.

Konklusion

Frielektronlaseren er et unikt værktøj, som kombinerer ekstrem lysstyrke, kort tidsskala og bred spectral tunbarhed. De muliggør eksperimenter, der ikke kan udføres med konventionelle lasere eller synkrotroner, men kræver store anlæg, betydelige ressourcer og avanceret teknisk ekspertise. Fortsat udvikling fokuserer på bedre effektivitet, øget kohærens og mere kompakte løsninger, så teknologien kan blive endnu mere tilgængelig for forsknings- og industribrug.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er en frielektronlaser?

Spørgsmål: Hvilket frekvensområde dækker frielektronlaseren?

Spørgsmål: Hvem opfandt frielektronlaseren?

Spørgsmål: Hvad blev brugt til at forstærke signalerne til de tidlige forsøg med FEL'er?

Spørgsmål: Hvem udviklede en tidligere version af det, der senere blev til en FEL?

Spørgsmål: Hvor meget elektricitet bruger FEL'er, når de er i drift?

Spørgsmål: Hvordan kan forskerne reducere den energi, der er nødvendig for driften?

Søg efter bogstav