LASER DE ELECTRONES LIBRESINTRODUCCIÓN

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 [~100m], 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 (=8KT / 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 1/3m, 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 application-oriented 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 micro-undulator. 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 world-highest power of 0.1 kilowatt in the far-infrared 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.