Кіріспе

Вакуумде электрондық сәулені пайдаланатын лазер. Еркін электронды лазер (FEL) – өте жарқын және қысқа сәуле импульстарын жасайтын төртінші буын жарық көзі. FEL лазер сияқты жұмыс істейді, бірақ атомдық немесе молекулалық қоздырулардан туындаған стимуляцияланған эмиссияны пайдаланудың орнына, күшейту ортасы ретінде релятивистік электрондарды қолданады. FEL-де электрондар жиынтығы толқын немесе виглер деп аталатын магниттік құрылымнан өтіп, сәуле тудырады, ол электрондармен қайтадан әрекеттесіп, оларды когерентті түрде шығаруға мәжбүр етеді, бұл оның қарқындылығын экспоненциалды түрде арттырады. Электронның кинетикалық энергиясы мен толқынның параметрлерін қалауынша өзгертуге болатындықтан, еркін электронды лазерлерді реттеуге болады және оларды кез келген басқа лазер түрінен гөрі кеңірек жиілік диапазонында жасауға болады, қазіргі таңдағысы микротолқындардан, терагерц сәулеленуінен және инфрақызылдан бастап, көрінетін спектрге, ультракүлгінге және рентген сәулелеріне дейінгі толқын ұзындығында қолданылады. Бірінші еркін электронды лазерді Джон Меди 1971 жылы Стэнфорд университетінде Ханс Моц және оның әріптестері 1953 жылы Стэнфордта виглер магниттік конфигурациясын пайдаланып толқынды құрастырған технологияны қолдана отырып жасады. Меди сигналды күшейту үшін 43 МэВ электрондық сәуле мен 5 метрлік виглерді пайдаланды.

Кванттық әсерлер

Көп жағдайда классикалық электромагнетизм теориясы еркін электронды лазерлердің қылығын толыққанды түсіндіреді. Бірақ, толқын ұзындығы өте қысқа болған жағдайда, электрондардың кері соққысының кванттық эффектілері мен атыс шуы ескерілуі керек.

Құрылыс

Еркін электронды лазерлер электрондарды үдетуге арналған электрондық үдеткішті және оған сәйкес қорғау экранын қажет етеді, себебі үдетілген электрондар тиісінше ұсталмаса, радиациялық қауіп тудыруы мүмкін. Мұндай үдеткіштер көбінесе клистрондармен қуаттандырылады, оларға жоғары кернеу көзі қажет. Электрондық сәуле вакуумде сақталуы тиіс, бұл сәуле жолы бойында көптеген вакуумдық сорғыларды қолдануды талап етеді. Бұл жабдық көлемді және қымбат болғанымен, еркін электронды лазерлер өте жоғары қуатқа жете алады, ал FEL-дің реттелу мүмкіндігі оларды химия, биологиядағы молекулалардың құрылымын анықтау, медициналық диагностика және бұйымды бүліктірмейтін сынақтар сияқты көптеген салаларда аса қажет етеді.

Инфрақызыл және терахерцтік FEL

Берлиндегі Фриц Хабер институты 2013 жылы орта инфрақызыл және терагерцтік FEL құрылысын аяқтады.

Себу және өздігінен себу

SASE FEL-дердің бір мәселесі – шулы іске қосу процесінің салдарынан уақытша когеренттіліктің жетіспеуі. Бұған жол бермеу үшін FEL-дің резонансына лазермен «тұқым себуге» болады. Мұндай уақытша когерентті тұқымды дәстүрлі әдістермен жасауға болады, мысалы, оптикалық лазерлік импульсті пайдаланып жоғары гармоникалық генерация (HHG) арқылы. Бұл кіріс сигналының когерентті күшеюіне әкеледі; нәтижесінде, шығыс лазердің сапасы тұқыммен сипатталады. HHG тұқымдары өте ультракөк сәулелерге дейінгі толқын ұзындықтарында қолжетімді болғанымен, рентген сәулелерінің толқын ұзындығында тұқым себу мүмкін емес, себебі дәстүрлі рентген лазерлері жоқ. 2010 жылдың соңында Италияда, Триест Синхротрон зертханасында FERMI@Elettra тұқымдық FEL көзі іске қосыла бастады. FERMI@Elettra – Италияның Триест қаласында орналасқан, үшінші буын синхротрон сәулеленуі қондырғысы ELETTRA-ның жанында орналасқан, 100 нм (12 эВ) мен 10 нм (124 эВ) аралығындағы толқын ұзындығын қамтитын FEL пайдаланушыларға арналған бір өткелді қондырғы. 2001 жылы Брукхейвен ұлттық зертханасында рентген толқын ұзындығында жұмыс істейтін «Жоғары пайда гармоникалық генерация» деп аталатын тұқым себу техникасы әзірленді. Бұл техника FEL-де көп сатылы болуы мүмкін, нәтижесінде қысқа толқын ұзындығына қол жеткізіледі, ал бұрынғы сатыдан туындаған сәуле сапасының төмендеуіне жол бермес үшін электрондық шоққа қатысты сәулеленудің бойлық ығысуын пайдаланады. Бұл бойлық сатылар «Жаңа шоқ» деп аталады. Бұл техника Триест Синхротрон зертханасында рентген толқын ұзындығында демонстрацияланды. «Жаңа кесім» деп аталатын ұқсас сатылы тәсіл Пол Шеррер институтында да рентген толқын ұзындығында көрсетілді. «Жаңа кесімде» бірінші сатыда туындаған қысқа рентген импульсі электрондық шоқтың жаңа бөлігіне шоқтың көлденең бұрышы арқылы жылжытылады. 2012 жылы LCLS-де жұмыс істейтін ғалымдар рентген толқын ұзындығы үшін тұқым себу шектеуіне баламалы шешім тапты – лазерді алмастыру арқылы өзінің сәулесімен тұқым себу. Нәтижесінде сәуленің интенсивтілігі мен монохроматикалық сипаттамалары бұрын-соңды болмаған деңгейде болды, бұл атомдарды манипуляциялау және молекулаларды бейнелеуге қатысты жаңа эксперименттер жүргізуге мүмкіндік берді. Әлемдегі басқа да зертханалар осы техниканы өз жабдықтарына енгізіп жатыр.

Негізгі зерттеулер

Зерттеушілер ақуыз кристаллографиясы және жасуша биологиясы саласындағы негізгі құралдар болған синхротрон сәулелену көздеріне альтернатива ретінде рентгендік еркін электронды лазерлерді зерттеді. Өте жарқын және жылдам рентген сәулелері рентген кристаллографиясын пайдаланып ақуыздарды бейнелей алады. Бұл техника, дәстүрлі әдістермен бейнелеуге мүмкіндік бермейтін, барлық ақуыздардың 25% құрайтын ақуыздарды алғаш рет бейнелеуге мүмкіндік береді. 30 фемтосекунд импульс ұзақтығымен 0,8 нм ажыратымдылыққа қол жеткізілді. Нақты бейне алу үшін 0,1–0,3 нм ажыратымдылық қажет. Импульстің қысқа ұзақтығы молекулалар бұзылмас бұрын рентгендік дифракциялық суреттерді тіркеуге мүмкіндік береді. Жарқын, жылдам рентген сәулелері SLAC-тегі Linac Coherent Light Source-та жасалды. 2014 жылға қарай LCLS әлемдегі ең қуатты рентгендік FEL болды. Еуропалық XFEL сияқты келесі буын рентгендік FEL көздерінің қайталану жиілігінің артуына байланысты дифракциялық суреттердің күтілетін саны да айтарлықтай өседі деп күтілуде. Дифракциялық суреттердің санының артуы қазіргі талдау әдістеріне үлкен жүктеме салатын болады. Бұған қарсы тұру үшін, рентгендік FEL эксперименттерінің нәтижесінде пайда болатын үлкен деректерді сұрыптау үшін бірнеше әдістер зерттелді. Әртүрлі әдістердің тиімділігі көрсетілгенімен, толық қайталану жиілігінде бір бөлшекті рентгендік FEL бейнелеуге жол ашу үшін келесі ажыратымдылық революциясына қол жеткізу үшін бірнеше қиындықтарды жеңу қажет екені анық. Метаболикалық аурулардың жаңа биомаркерлері: инфрақызыл иондық спектроскопия және массалық спектрометрияны біріктіру арқылы селективтілік пен сезімталдықтан пайдаланып, ғалымдар қан немесе зәр сияқты биологиялық үлгілердегі кіші молекулалардың құрылымдық «саусақ іздерін» анықтай алады. Бұл жаңа және бірегей әдістеме метаболикалық ауруларды жақсырақ түсінуге және жаңа диагностикалық және терапиялық стратегияларды әзірлеуге үлкен мүмкіндіктер береді.

Хирургиялық операция

Гленн Эдвардс және Вандербильт университетінің FEL орталығындағы әріптестері 1994 жылы жүргізген зерттеулер тері, мүйіз қабығы және ми тіндері сияқты жұмсақ тіндерді 6,45 микрометр шамасындағы инфрақызыл FEL толқын ұзындығын қолдану арқылы кесіп немесе жоюға болатынын көрсетті, бұл жақын тіндерге минималды зиян келтіреді. Бұл еркін электронды лазерді алғаш рет қолданып, адамдарға жасалған хирургиялық операцияларға әкелді. 1999 жылдан бастап Копланд пен Конрад үш операция жасады, олар менингиома ми ісіктерін жойды. 2000 жылдан бастап Джос пен Маун оптикалық жүйке қабығының терезесін кесіп, оның тиімділігін тексеру үшін бес операция жасады – бұл оптикалық жүйке қабығының тесігін жасауға бағытталған тәжірибе. Бұл сегіз операцияның нәтижелері стандартты емдеу деңгейімен сәйкес келіп, жақын тіндерге зиянның минималды болуына қосымша мүмкіндік берді. Медициналық қолданыстағы FEL туралы толық мәлімет Tunable Laser Applications кітабының бірінші басылымында келтірілген.

Майды алу

6-7 микрометрлік диапазонмен жұмыс істейтін, импульстік құрылымы мен энергиясы жұмсақ тіндерге минималды қосымша зақым келтіруге бағытталған бірнеше кішкентай клиникалық лазерлер құрастырылды. Вандербильт университетінде александрит лазерімен қозғалтылатын Раман спректік жүйесі бар. Рокс Андерсон еркін электронды лазерді қолдану арқылы теріге зиян келтірмей майды ерітуді ұсынды. Инфрақызыл толқын ұзындықтарында лазер тіндердегі суды қыздырса, 915, 1210 және 1720 нм толқын ұзындықтарында тері астындағы липидтер суға қарағанда күштірек дифференциалды түрде қыздырылады. Бұл селективті фототермолиздің (жарық көмегімен тіндерді қыздыру) мүмкін қолданыстарына акнемен күресу үшін майлы бездердегі липидтерді селективті жою, сондай-ақ целлюлит және дене майларымен байланысты басқа липидтерді, әрі атеросклероз бен жүрек ауруларын емдеуге көмектесетін артериялардағы майлы плактарды нысанаға алу кіреді.

Әскери

FEL технологиясы АҚШ Әскери-теңіз күштері тарапынан әуе шабуылына қарсы және зымыранға қарсы бағытталған энергия қаруы ретінде қарастырылуда. Томас Джефферсон Ұлттық үдеткіш орталығының FEL-і 14 кВт-тан жоғары қуаттылық көрсеткен. Шағын, көп мегаватттық FEL қарулары зерттеулерден өтуде. 2009 жылдың 9 маусымында Теңіз зерттеулер басқармасы Raytheon компаниясына 100 кВт қуаттылығы бар эксперименталды FEL әзірлеуге келісімшарт бергенін мәлімдеді. 2010 жылдың 18 наурызында Boeing Directed Energy Systems компаниясы АҚШ Әскери-теңіз күштерінің қажеттілігі үшін алғашқы жоба аяқталғанын хабарлады. FEL жүйесінің прототипі көрсетілді, ал толық қуатты прототип 2018 жылға жоспарланған.