| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Lasery na báze voľných elektrónov
Michal Marčišovský
Klasický laser sa skladá z aktívneho média, v ktorom ide vybudiť inverznú populáciu, zdroja energie, ktorý vybudí médium a optického rezonátora. U laserov založených na voľných elektrónoch sú zdrojom energie a zároveň aktívnym médiom urýchlené elektróny. Také lasery označujeme skratkou FEL (Free Electron Laser).
|
MASER – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Zařízení, které zesiluje elektromagnetické záření pomocí stimulované emise v mikrovlnném a rádiovém oboru. Obdobně funguje v optickém oboru LASER. Teoreticky byl maser předpovězen v roce 1952 Nikolajem Basovem a Alexandrem Prochorovem. Tato práce však byla zveřejněna až v roce 1954. Mezitím byl v roce 1953 nezávisle realizován Charlesem Townesem, Jamesem Gordonem a Herbertem Zeigrem na Kolumbijské univerzitě. Masery se využívají jako velice přesné etalony frekvence, například v atomových hodinách, jako zesilovače vynikají velice nízkým šumem, díky čemuž mohou být použity například k zesílení signálu od velice vzdálených sond, které vysílají na relativně malých výkonech nebo k radiolokaci. Nezastupitelnou roli mají rovněž v radioteleskopii. Klasické konstrukce maserů jsou poměrné náročné na provoz (vakuové systémy, magnetické stínění, silné elektromagnety nebo chlazení tekutým héliem). V roce 2012 byl zkonstruován pulzní a v roce 2018 kontinuální maser, který pracuje za pokojové teploty bez nutnosti magnetického stínění a bez použití vnějšího magnetického pole. LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. Synchrotronní záření – záření generované relativistickými elektrony rotujícími kolem magnetických siločar nebo elektrony kmitajícími v měnícím se magnetickém poli. Jde o záření s výraznou polarizací, ze které je možné určit směr magnetického pole. Záření je polarizováno v rovině dráhy elektronu, soustředěno do úzkého kužele, vyzařováno v původním směru pohybující se částice a má spojité spektrum. Undulátor – struktura periodicky se střídajících magnetů, která se využívá k vybuzení synchrotronního záření prolétávajícího svazku nabitých částic. Trajektorie částic se vlivem střídajícího se pole zvlní a nabité částice proto vyzařují. Pro velkou amplitudu oscilací částic se zařízení nazývá wiggler. Původně se undulátorem nazýval zapisovací přístroj pro podmořskou telegrafii sestrojený Lauritzenem. Skládal se ze 4 vinutých elektromagnetů se střídající se orientací a dvou otočných obloukovitých magnetů na hřídeli. Elektrický proud procházející vinutými magnety vybudil pole, které otáčelo pohyblivými magnety a jejich pohyb byl přenášen na zapisovací zařízení. |
Lasery FEL sú na rozdiel od väčšiny iných druhov laserov ľahko preladiteľné v širokom rozsahu, to je dôsledok faktu že elektrónyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. v laseru FEL nie sú viazané na atómy. Vlnová dĺžka výstupného žiarenia sa dá nastaviť buď zmenou energie elektrónov alebo zmenou intenzity magnetického poľa. Pretože médium nemôže byť poškodené optickými poľami, je možné dosiahnuť vysokej intenzity žiarenia. Ďalšou výhodou je existencia iba jedného transverzálného módu (lineárna polarizácia) a vysoká časová a priestorová koherenciaKoherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln z daného zdroje či objektu v určitém bodě prostoru konstantní a nebo se pomalu mění v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout..
FEL zariadenia sa dajú rozlíšiť na krátkovlnné a dlhovlnné. Dlhovlnné pokrývajú oblasti od hlbokého infračerveného žiarenia až po ultrafialové žiarenie vrátane viditeľného spektra.
Elektróny prechádzajú cez tzv. undulátorUndulátor – struktura periodicky se střídajících magnetů, která se využívá k vybuzení synchrotronního záření prolétávajícího svazku nabitých částic. Trajektorie částic se vlivem střídajícího se pole zvlní a nabité částice proto vyzařují. Pro velkou amplitudu oscilací částic se zařízení nazývá wiggler. Původně se undulátorem nazýval zapisovací přístroj pro podmořskou telegrafii sestrojený Lauritzenem. Skládal se ze 4 vinutých elektromagnetů se střídající se orientací a dvou otočných obloukovitých magnetů na hřídeli. Elektrický proud procházející vinutými magnety vybudil pole, které otáčelo pohyblivými magnety a jejich pohyb byl přenášen na zapisovací zařízení., ktorý sinusoidálne zakriví ich trajektóriu. Ako sú urýchľované zo strany na stranu, spontánne vyžarujú v doprednom smere a žiarenie je zachytené v rezonátore medzi zrkadlami. Ako však narastá jeho intenzita v rezonátore, proces emisie sa začne líšiť od klasických zdrojov synchrotrónnej radiácieSynchrotronní záření – záření generované relativistickými elektrony rotujícími kolem magnetických siločar nebo elektrony kmitajícími v měnícím se magnetickém poli. Jde o záření s výraznou polarizací, ze které je možné určit směr magnetického pole. Záření je polarizováno v rovině dráhy elektronu, soustředěno do úzkého kužele, vyzařováno v původním směru pohybující se částice a má spojité spektrum.. Vstupujúce elektróny kmitajú medzi magnetmi a vyžarujú v prítomnosti intenzívneho elektromagnetického vlnenia. Ako pole fotónov prechádza cez pomalšie, vlnivo sa pohybujúce elektróny, jeho elektrická zložka pôsobí na zhluky elektrónov a vzniká klasický efekt nie nepodobný kvantovému efektu stimulovanej emisie. Elektróny sa urýchľujú alebo spomaľujú vzhľadom na relatívnu fázu elektrónov voči elektromagnetickému vlneniu. Výrazná výmena energie nastane keď sa sily undulátoru a žiarenia pôsobiace na elektróny dostanú do rezonancie. Výsledkom je kolektívna nestabilita a exponenciálny nárast v energii uchovanej v elektromagnetickom poli.
Laser na voľných elektrónoch
Princíp laserovania
Elektróny, ktoré pôvodne boli viac menej náhodne rozptýlené v zhluku, sa začnú organizovať do tzv. mikrozhlukov s dĺžkovými rozmermi asi o veľkosti vlnovej dĺžky prítomného elektromagnetického žiarenia. Kvôli sfázovaniu elektrónov je vyžarované žiarenie skoro monochromatické a koherentnéKoherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln z daného zdroje či objektu v určitém bodě prostoru konstantní a nebo se pomalu mění v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout.. Také žiarenie nie je možné pripraviť iným spôsobom.
Pri vlnových dĺžkach menších ako 100 nm je problém vytvoriť zrkadlá, ktoré by šli použiť na vytvorenie rezonátoru. V takýchto prípadoch sa využíva iba jeden prechod elektrónov dlhým undulátoromUndulátor – struktura periodicky se střídajících magnetů, která se využívá k vybuzení synchrotronního záření prolétávajícího svazku nabitých částic. Trajektorie částic se vlivem střídajícího se pole zvlní a nabité částice proto vyzařují. Pro velkou amplitudu oscilací částic se zařízení nazývá wiggler. Původně se undulátorem nazýval zapisovací přístroj pro podmořskou telegrafii sestrojený Lauritzenem. Skládal se ze 4 vinutých elektromagnetů se střídající se orientací a dvou otočných obloukovitých magnetů na hřídeli. Elektrický proud procházející vinutými magnety vybudil pole, které otáčelo pohyblivými magnety a jejich pohyb byl přenášen na zapisovací zařízení.. Na vygenerovanie počiatočného poľa žiarenia, ktoré sa priechodom zosilní, môžeme použiť externý klasický laser, alebo sa spoľahnúť na interný generátor poľa, teda spontánne žiarenie undulátoru. V prípade využitia spontánneho žiarenia sa princíp nazýva SASE (Self-Amplified Stimulated Emission, samostatne zosílená stimulovaná emisia). Laser FEL s technológiou SASE operuje v režime s vysokým ziskom a keďže nepotrebuje zrkadlá, tak vlnové dĺžky, ktoré je možno dosiahnuť, sa pohybujú až v oblasti röntgenového žiarenia. Pozdĺžna koherenciaKoherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln z daného zdroje či objektu v určitém bodě prostoru konstantní a nebo se pomalu mění v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout. však trochu trpí fluktuáciami kvôli faktu, že náhodný proces, akým je spontánne žiarenie undulátoru, spúšťa laserovanie.
Lasery FEL so spektrom v okolí viditeľného svetla je možné postaviť na synchrotrónových akumulačných prstencoch, pretože potrebujú relatívne nízku energiu elektrónov. Röntgenové lasery FEL vyžadujú lineárny urýchľovač.
Mimo iných miest vo svete, kde sú postavené elektrónové lasery, sa najbližší nachádza u našich západných susedov, kde v súčasnosti funguje experiment VUV-FEL (Vacuum UltraViolet FEL – Vákuový ultrafialový FEL), neskôr premenovaný na FLASH (Free-electron LASer in Hamburg – laser na voľných elektrónoch v Hamburgu). Pôvodné urýchľovacie dutiny pochádzajú z testovacích zariadení pre projekt TESLA (Tera-eV Energy Superconducting Linear Accelerator – Supravodivý lineárny urýchľovač pre teraelektronvoltové energie), z ktorého sa vyvinul urýchľovač ILC. Najmenšia vlnová dĺžka, ktorú je schopný vygenerovať, sa pohybuje okolo 6 nm. Je to pilotný projekt pre pripravovaný laser XFEL.
Laser FLASH v Hamburgu
Výmena modulov urýchľovača pre laser FLASH pri letnej odstávke roku 2007.
Undulátor lasera FLASH
Elektrónové zhluky vznikajú fotoelektrickým javom v laserovom fotoinjektore, skadiaľ prejdú 8 dutinami a urýchlia sa na energiu 127 MeV. Zhluky častíc sa stlačia v pozdĺžnom smere v kompresore zhlukov. Lúč prechádza diagnostickými systémami a ďalšími urýchľovacími dutinami, až naberie finálnu energiu 1 GeV a je vpustený do undulátoraUndulátor – struktura periodicky se střídajících magnetů, která se využívá k vybuzení synchrotronního záření prolétávajícího svazku nabitých částic. Trajektorie částic se vlivem střídajícího se pole zvlní a nabité částice proto vyzařují. Pro velkou amplitudu oscilací částic se zařízení nazývá wiggler. Původně se undulátorem nazýval zapisovací přístroj pro podmořskou telegrafii sestrojený Lauritzenem. Skládal se ze 4 vinutých elektromagnetů se střídající se orientací a dvou otočných obloukovitých magnetů na hřídeli. Elektrický proud procházející vinutými magnety vybudil pole, které otáčelo pohyblivými magnety a jejich pohyb byl přenášen na zapisovací zařízení., kde prebieha laserovanie.
XFEL (X-ray FEL) je v súčasnosti pripravovaný medzinárodný projekt urýchľovača, z ktorého budú elektróny využité vo viacerých laseroch SASE. Má byť umiestnený v DESYDESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří synchrotronový zdroj záření PETRA III (obvod 2,3 km) a velký evropský laser na volných elektronech European XFEL s délkou 3,4 km, který byl uveden do provozu v září 2017. u Hamburgu. Bude využívať elektróny s energiou 10÷20 GeV, ktoré budú urýchľované v dutinách, ktorých využitie je plánované aj v urýchľovači ILC. Celková dĺžka zariadenia bude okolo 3,4 km.
Dĺžka pulzov by mala byť menšia ako je 100 fs, čo umožní skúmať veľmi krátko alebo veľmi rýchlo prebiehajúce procesy a vlnová dĺžka sa dá prelaďovať v rozmedzí 0,085 až 6 nm. Plánované aplikácie sú, vďaka extrémne krátkemu záblesku, v chémii a biochémii, vo fyzike materiálov, fyzike plazmy a nanotechnológiách. Začiatok stavby sa predpokladá v lete 2008 a spustenie v roku 2013.
Klip týdne: Evropský rentgenový laser XFEL – undulátor
Evropský rentgenový laser XFEL – undulátor. Nový laser, jehož stavba započne v roce 2008, se bude nacházet v blízkosti německého Hamburku a bude mít délku 3,4 km. Půjde o laser na volných elektronech. Elektrony jsou nejprve urychleny v lineárním urychlovači pomocí soustavy rezonančních dutin. Poté shluky elektronů s vysokou energií přicházejí do undulátoru. Jde o speciální magnetickou strukturu, ve které se periodicky střídá orientace magnetického pole. Elektrony se pohybují po vlnovité dráze a přitom vyzařují synchrotronní záření v rentgenovém oboru. Každá rentgenová emise ovlivňuje elektrony před ní – stlačuje malý shluk elektronů tak, že jejich záření ještě zintenzívní. Emitované rentgenové paprsky vytvoří extrémně intenzívní laserový záblesk koherentního a monochromatického záření. Největší část klipu je věnována pohybu shluku elektronů v undulátoru. Zdroj: DESY, 2008. (mpg, 5 MB)
Odkazy
