Перспективы

Применение

Испытания

Свойства

Лазер на свободных электронах

Перспективы

В настоящее время самыми мощными источниками непрерывного лазерного излучения (свыше 10 кВт) являются сверхзвуковые химические лазеры (СХЛ). К таким лазерам относятся, непрерывные химические лазеры на молекулах фторида водорода и фторида дейтерия (НХЛ) и химические кислород-йодные лазеры (ХКЙЛ).

Свойства ХЛ позволяют рассчитывать на возможность реализации мобильных комплексов на базе этих лазеров.

Проект первого лазера на свободных электронах был опубликован в 1971 году Джоном М. Дж. Мэйди (J.M.J. Madey) в рамках своего PhD-проекта в Стэнфордском университете.

Лазер на свободных электронах (англ. Free Electron Laser, FEL) — вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе — периодической системе отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Электроны, совершая периодические колебания, излучают фотоны, энергия которых зависит от энергии электронов и параметров ондулятора.

Самая короткая длина волны рентгеновского лазера около 4 нм.

Источником излучения является пучок электронов в вакууме, проходящий сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов — ондулятор (вигглер), заставляющий пучок двигаться по синусоидальной траектории, теряя энергию, которая преобразуется в поток фотонов.

Меняя энергию электронного пучка, а также параметры ондулятора (силу магнитного поля и расстояние между магнитами), можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, вырабатываемого ЛСЭ, что является их главным отличием от лазеров других систем.

Лазеры на свободных электронах отличаются тем, что имеют самый обширный частный диапазон среди всех типов лазеров, и соответственно этот тип лазеров отличается довольно обширными возможностями для настройки.

В качестве активной среды у лазеров на свободных электронов выступает электронный пучок высокой энергии. Реализация такого вида лазера требует также дополнительных условий:

· наличие статических, периодически изменяющихся в пространстве магнитных полей (ондуляторов), которые модулируют траектории электронов и обусловливают, таким образом, излучение фотонов (магнитное тормозное изучение); большинство реализованных до сих пор подобных лазеров основаны именно на этом принципе действия;

· наличие полей при распространении электронов в среде (эффект Черепкова);

· наличие полей распространения в волноводе с решеткой (эффект Смита-Парселла).

В 1976 году Мэйди и его коллеги продемонстрировали первые опыты с ЛСЭ, используя электроны с энергией 24 МэВ и 5-ти метровый вигглер для усиления излучения. Мощность лазера составляла 300 мВт, а эффективность всего 0,01 %, но была показана работоспособность такого класса устройств, что привело к огромному интересу и резкому увеличению количества разработок в области ЛСЭ.

Применяется для кристаллографии и изучения строения атомов и молекул.

ЛСЭ способны создавать «мягкое» рентгеновское излучение с длиной, которая используется в медицинских целях. Оно не может проникнуть даже через лист бумаги, но идеально подходит для зондирования ионизированных газов с высокой плотностью энергии (чем короче длина волны, тем глубже луч проникает в плотную плазму), а также для исследования новых и существующих материалов.

Рентгеновская микроскопия продолжает совершенствоваться, приближаясь к разрешению в 1 ангстрем (0,1 нм) и открывая возможности для получения изображений атомов и молекулярных структур. Также найдёт применение в медицинских целях и микроэлектронике.

Постоянное уменьшение размеров установок, снижение их стоимости, получение настольных рентгеновских лазеров станет привычным инструментом в лабораториях по исследованию физики плазмы, так как имеет почти все, что нужно: низкие энергозатраты, повторный выстрел каждые 4 минуты и малую длину волны. Их приспособляемость делает их очень желательными во многих областях, включая область медицинского диагнозцирования и неразрушающего метода исследований и др