Лазер на свободных электронах ( ЛСЭ ) — это источник света четвертого поколения, производящий чрезвычайно яркие и короткие импульсы излучения. ЛСЭ функционирует во многом как лазер , но использует релятивистские электроны в качестве усиливающей среды вместо стимулированного излучения атомных или молекулярных возбуждений. [1] [2] В ЛСЭ пучок электронов проходит через магнитную структуру, называемую ондулятором или вигглером , для генерации излучения, которое повторно взаимодействует с электронами, заставляя их излучать когерентно, экспоненциально увеличивая его интенсивность.
Поскольку кинетическая энергия электронов и параметры ондулятора могут быть адаптированы по желанию, лазеры на свободных электронах настраиваются и могут быть созданы для более широкого частотного диапазона, чем любой другой тип лазера, [3] в настоящее время длина волны варьируется от микроволн до терагерцового излучения и инфракрасного излучения. , видимый спектр , ультрафиолет и рентгеновские лучи . [4]
Первый лазер на свободных электронах был разработан Джоном Мэди в 1971 году в Стэнфордском университете [5] с использованием технологии, разработанной Гансом Моцем и его коллегами, которые построили ондулятор в Стэнфорде в 1953 году [6] [7] с использованием магнитной конфигурации вигглера . Для усиления сигнала Мэди использовал электронный луч с энергией 43 МэВ [8] и вигглер длиной 5 м.
Для создания ЛСЭ используется электронная пушка . Пучок электронов генерируется коротким лазерным импульсом, освещающим фотокатод , расположенный внутри микроволнового резонатора , и ускоряется почти до скорости света в устройстве, называемом фотоинжектором . Луч дополнительно ускоряется до расчетной энергии с помощью ускорителя частиц , обычно линейного ускорителя частиц . Затем луч проходит через периодическое расположение магнитов с чередующимися полюсами поперек пути луча, что создает поперечное магнитное поле . Направление луча называется продольным направлением, а направление поперек траектории луча — поперечным. Этот массив магнитов называется ондулятором или вигглером , потому что сила Лоренца поля заставляет электроны в луче покачиваться в поперечном направлении, перемещаясь по синусоидальной траектории вокруг оси ондулятора.
Поперечное ускорение электронов по этому пути приводит к высвобождению фотонов , которые являются монохроматическими, но все же некогерентными, поскольку электромагнитные волны от случайно распределенных электронов конструктивно и разрушительно интерферируют во времени. Результирующая мощность излучения линейно зависит от количества электронов. Зеркала на каждом конце ондулятора создают оптический резонатор , заставляя излучение формировать стоячие волны , или, альтернативно, предусмотрен внешний лазер возбуждения. Излучение становится достаточно сильным, что поперечное электрическое поле луча излучения взаимодействует с поперечным током электронов, создаваемым синусоидальным покачивающимся движением, в результате чего некоторые электроны получают, а другие теряют энергию в оптическое поле через пондеромоторную силу .
Эта энергетическая модуляция развивается в модуляции электронной плотности (тока) с периодом в одну оптическую длину волны. Таким образом, электроны продольно группируются в микросгустки , разделенные одной оптической длиной волны вдоль оси. В то время как ондулятор сам по себе может заставить электроны излучать независимо (некогерентно), излучение, испускаемое сгруппированными электронами, находится в фазе, и поля складываются когерентно .
Интенсивность излучения растет, вызывая дополнительное микрогруппирование электронов, которые продолжают излучать синфазно друг с другом. [9] Этот процесс продолжается до тех пор, пока электроны полностью не сгруппируются и излучение не достигнет мощности насыщения, на несколько порядков превышающей мощность ондуляторного излучения.
Длину волны испускаемого излучения можно легко настроить, регулируя энергию электронного луча или силу магнитного поля ондуляторов.
ЛСЭ — релятивистские машины. Длина волны испускаемого излучения определяется выражением [10]
или когда параметр силы вигглера K , обсуждаемый ниже, мал
где – длина волны ондулятора (пространственный период магнитного поля), – релятивистский фактор Лоренца , а константа пропорциональности зависит от геометрии ондулятора и имеет порядок 1.
Эту формулу можно понимать как комбинацию двух релятивистских эффектов. Представьте, что вы сидите на электроне, проходящем через ондулятор. Из-за лоренцева сжатия ондулятор укорачивается в несколько раз, и длина волны ондулятора у электрона становится намного короче . Однако излучение, испускаемое на этой длине волны, наблюдается в лабораторной системе отсчета, и релятивистский эффект Доплера вносит второй фактор в приведенную выше формулу. В рентгеновском ЛСЭ типичная длина волны ондулятора 1 см преобразуется в длину волны рентгеновского излучения порядка 1 нм на ≈ 2000, т.е. электроны должны двигаться со скоростью 0,9999998 с .
K , безразмерный параметр, определяет силу вигглера как соотношение между длиной периода и радиусом изгиба .
где – радиус изгиба, – приложенное магнитное поле, – масса электрона, – элементарный заряд .
Безразмерный параметр ондулятора, выраженный в практических единицах, равен .
В большинстве случаев теория классического электромагнетизма адекватно объясняет поведение лазеров на свободных электронах. [11] Для достаточно коротких длин волн, возможно, придется учитывать квантовые эффекты электронной отдачи и дробового шума . [12]
Лазеры на свободных электронах требуют использования ускорителя электронов с соответствующей защитой, поскольку ускоренные электроны могут представлять радиационную опасность, если их не удерживать должным образом. Эти ускорители обычно питаются от клистронов , которым требуется источник высокого напряжения. Электронный пучок необходимо поддерживать в вакууме , что требует использования многочисленных вакуумных насосов на пути луча. Хотя это оборудование громоздко и дорого, лазеры на свободных электронах могут достигать очень высоких пиковых мощностей, а возможность настройки ЛСЭ делает их весьма востребованными во многих дисциплинах, включая химию, определение структуры молекул в биологии, медицинскую диагностику и неразрушающий контроль .
Институт Фрица Хабера в Берлине завершил создание ЛСЭ среднего инфракрасного и терагерцового диапазона в 2013 году. [13] [14]
Отсутствие зеркальных материалов, которые могут отражать крайние ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, означает, что рентгеновские лазеры на свободных электронах (XFEL) должны работать без резонансного резонатора . Следовательно, в рентгеновском ЛСЭ (XFEL) луч создается за один проход излучения через ондулятор . Для этого необходимо, чтобы за один проход было достаточно усиления для создания соответствующего луча.
Следовательно, в XFEL используются длинные секции ондулятора длиной в десятки или сотни метров. Это позволяет XFEL генерировать самые яркие рентгеновские импульсы среди всех искусственных источников рентгеновского излучения. Интенсивные импульсы рентгеновского лазера основаны на принципе самоусиливающегося спонтанного излучения (SASE), что приводит к микрогруппированию. Первоначально все электроны распределены равномерно и излучают только некогерентное спонтанное излучение. В результате взаимодействия этого излучения и колебаний электронов они дрейфуют в микросгустки, разделенные расстоянием, равным одной длине волны излучения. Это взаимодействие заставляет все электроны начать испускать когерентное излучение. Испускаемое излучение может прекрасно усиливать себя, благодаря чему гребни и впадины волн оптимально накладываются друг на друга. Это приводит к экспоненциальному увеличению мощности излучаемого излучения, что приводит к высокой интенсивности луча и свойствам, подобным лазерным. [15]
Примеры объектов, работающих по принципу SASE FEL, включают:
В 2022 году в рамках модернизации источника когерентного света Linac (LCLS-II) Стэнфордского университета использовалась температура около -271 °C для создания 10 6 импульсов в секунду электронов со скоростью, близкой к скорости света, с использованием сверхпроводящих ниобиевых резонаторов. [17]
Одной из проблем SASE FEL является отсутствие временной согласованности из-за шумного процесса запуска. Чтобы избежать этого, можно «засеять» ЛСЭ лазером, настроенным на резонанс ЛСЭ. Такое временно-когерентное затравочное число можно получить более традиционными способами, например, путем генерации высоких гармоник (ГВГ) с использованием оптического лазерного импульса. Это приводит к когерентному усилению входного сигнала; по сути, качество выходного лазера характеризуется затравкой. Хотя семена HHG доступны на длинах волн вплоть до крайнего ультрафиолета, посев на длинах волн рентгеновских лучей невозможен из-за отсутствия обычных рентгеновских лазеров.
В конце 2010 года в Италии в Триестской синхротронной лаборатории начал ввод в эксплуатацию источник затравленного ЛСЭ FERMI@Elettra [18] . FERMI@Elettra — это однопроходная пользовательская установка ЛСЭ, охватывающая диапазон длин волн от 100 нм (12 эВ) до 10 нм (124 эВ), расположенная рядом с установкой синхротронного излучения третьего поколения ELETTRA в Триесте, Италия.
В 2001 году в Брукхейвенской национальной лаборатории был разработан метод засева под названием «Генерация гармоник с высоким коэффициентом усиления», который работает на длине волны рентгеновского излучения. [19] . Этот метод, который может быть многоступенчатым в ЛСЭ для достижения все более коротких длин волн, использует продольный сдвиг излучения относительно электронного сгустка, чтобы избежать снижения качества луча, вызванного предыдущим этапом. Такая продольная постановка вдоль балки называется «Fresh-Bunch» [20] . Этот метод был продемонстрирован на длине волны рентгеновского излучения [21] [22] в Триестской синхротронной лаборатории .
Похожий подход к постановке, названный «Fresh-Slice», был продемонстрирован в Институте Пола Шеррера , также на длинах волн рентгеновского излучения. В Fresh Slice короткий рентгеновский импульс, полученный на первом этапе, перемещается в свежую часть электронного сгустка за счет поперечного наклона сгустка. [23]
В 2012 году ученые, работающие над LCLS, нашли альтернативное решение ограничения затравки для длин волн рентгеновского излучения путем самозасева лазера собственным лучом после фильтрации через алмазный монохроматор . Полученная интенсивность и монохроматичность луча были беспрецедентными и позволили проводить новые эксперименты, включающие манипулирование атомами и визуализацию молекул. Другие лаборатории по всему миру внедряют эту технику в свое оборудование. [24] [25]
Исследователи изучали рентгеновские лазеры на свободных электронах в качестве альтернативы источникам синхротронного света, которые были «рабочими лошадками» в кристаллографии белков и клеточной биологии . [26]
Исключительно яркие и быстрые рентгеновские лучи позволяют визуализировать белки с помощью рентгеновской кристаллографии . Этот метод позволяет впервые визуализировать 25% белков, которые не укладываются так, как это позволяет обычные методы. Разрешение 0,8 нм было достигнуто при длительности импульса 30 фемтосекунд . Для получения четкого изображения требуется разрешение 0,1–0,3 нм. Короткая длительность импульса позволяет записывать изображения рентгенограмм до разрушения молекул. [27] Яркие, быстрые рентгеновские лучи были получены с помощью источника когерентного света Linac в SLAC. По состоянию на 2014 год LCLS был самым мощным рентгеновским ЛСЭ в мире. [28]
Ожидается, что из-за увеличения частоты повторения источников рентгеновского ЛСЭ следующего поколения, таких как европейский XFEL , ожидаемое количество дифракционных картин также значительно увеличится. [29] Увеличение количества дифрактограмм создаст большую нагрузку на существующие методы анализа. Чтобы бороться с этим, было исследовано несколько методов сортировки огромного количества данных, которые генерируют типичные эксперименты с рентгеновским ЛСЭ. [30] [31] Несмотря на то, что различные методы доказали свою эффективность, очевидно, что для того, чтобы проложить путь к одночастичной рентгеновской визуализации ЛСЭ с полной частотой повторения, необходимо преодолеть несколько проблем, прежде чем произойдет следующая революция в разрешении. может быть достигнут. [32] [33]
Новые биомаркеры метаболических заболеваний: воспользовавшись преимуществами селективности и чувствительности при сочетании инфракрасной ионной спектроскопии и масс-спектрометрии , ученые могут получить структурные отпечатки малых молекул в биологических образцах, таких как кровь или моча. Эта новая и уникальная методология открывает новые захватывающие возможности для лучшего понимания метаболических заболеваний и разработки новых диагностических и терапевтических стратегий.
Исследования Гленна Эдвардса и его коллег из Центра ЛСЭ Университета Вандербильта в 1994 году показали, что мягкие ткани, включая кожу, роговицу и ткани головного мозга, можно разрезать или удалять с помощью инфракрасных волн ЛСЭ длиной около 6,45 микрометров с минимальным побочным повреждением прилегающих тканей. [34] [35] Это привело к операциям на людях, впервые в истории с использованием лазера на свободных электронах. Начиная с 1999 года Коупленд и Конрад провели три операции по удалению менингиомы опухоли головного мозга . [36] Начиная с 2000 года, Джус и Маун провели пять операций, в ходе которых вырезалось окно в оболочке зрительного нерва , чтобы проверить эффективность фенестрации оболочки зрительного нерва . [37] Эти восемь операций дали результаты, соответствующие стандартам медицинской помощи и с дополнительным преимуществом в виде минимального сопутствующего ущерба. Обзор ЛСЭ для медицинского применения дан в 1-м издании журнала Tunable Laser Applications. [38]
Было создано несколько небольших клинических лазеров, настраиваемых в диапазоне от 6 до 7 микрометров, с импульсной структурой и энергией, обеспечивающими минимальное побочное повреждение мягких тканей. [ нужна цитата ] В Вандербильте существует система с комбинационным рассеянием света, накачиваемая александритовым лазером. [39]
Рокс Андерсон предложил медицинское применение лазера на свободных электронах для плавления жиров без вреда для окружающей кожи. [40] При инфракрасных длинах волн вода в тканях нагревалась лазером, но при длинах волн, соответствующих 915, 1210 и 1720 нм , подповерхностные липиды нагревались сильнее, чем вода. Возможные применения этого селективного фототермолиза (нагревание тканей светом) включают избирательное разрушение липидов кожного сала для лечения прыщей , а также воздействие на другие липиды, связанные с целлюлитом и жировыми отложениями, а также жировые бляшки, которые образуются в артериях, что может помочь в лечении атеросклероза. и болезни сердца . [41]
Технология ЛСЭ оценивается ВМС США как кандидат на роль зенитного и противоракетного оружия направленной энергии . ЛСЭ Национального ускорительного комплекса Томаса Джефферсона продемонстрировал выходную мощность более 14 кВт. [42] В настоящее время проводятся исследования компактного ЛСЭ-оружия мощностью несколько мегаватт. [43] 9 июня 2009 года Управление военно-морских исследований объявило, что заключило с компанией Raytheon контракт на разработку экспериментального ЛСЭ мощностью 100 кВт. [44] 18 марта 2010 года компания Boeing Directed Energy Systems объявила о завершении первоначального проекта для использования в ВМС США. [45] Был продемонстрирован прототип системы ЛСЭ, создание прототипа полной мощности запланировано на 2018 год. [46]
Премия FEL вручается человеку, внесшему значительный вклад в развитие области лазеров на свободных электронах. Кроме того, он дает международному сообществу FEL возможность признать своих членов за их выдающиеся достижения.
Премия молодого ученого FEL (или «Премия молодого исследователя FEL») предназначена для признания выдающегося вклада в науку и технику FEL человека в возрасте до 35 лет.