Введение
Лазер, использующий электронный пучок в вакууме в качестве активной среды.
Свободноэлектронный лазер (FEL) – это источник света четвертого поколения, генерирующий чрезвычайно яркие и короткие импульсы излучения. FEL функционирует подобно лазеру, но использует релятивистские электроны в качестве активной среды вместо использования вынужденного излучения от атомных или молекулярных возбуждений. В FEL пучок электронов проходит через магнитную структуру, называемую ондулятором или виглером, для генерации излучения, которое, в свою очередь, взаимодействует с электронами, заставляя их излучать когерентно, экспоненциально увеличивая интенсивность излучения. Поскольку кинетическая энергия электронов и параметры ондулятора могут быть настроены по желанию, свободноэлектронные лазеры являются перестраиваемыми и могут быть созданы для более широкого диапазона частот, чем любой другой тип лазера, в настоящее время охватывающего длины волн от микроволн, через терагерцовое и инфракрасное излучение, до видимого спектра, ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Первый свободноэлектронный лазер был разработан Джоном Мадеем в 1971 году в Стэнфордском университете, используя технологии, разработанные Хансом Моцем и его коллегами, которые построили ондулятор в Стэнфорде в 1953 году, используя магнитную конфигурацию виглера. Мадей использовал 43-мев электронный пучок и 5-метровый вигглер для усиления сигнала.
Квантовые эффекты
В большинстве случаев теория классического электромагнетизма адекватно описывает поведение лазеров на свободных электронах. Для достаточно коротких длин волн необходимо учитывать квантовые эффекты отката электронов и дробового шума.
Строительство
Для лазеров на свободных электронах необходимо использование электронного ускорителя с соответствующей защитой, поскольку ускоренные электроны могут представлять опасность радиационного воздействия при ненадлежащем удержании. Эти ускорители обычно питаются от клистронов, которым требуется высоковольтное питание. Электронный пучок должен поддерживаться в вакууме, что требует использования многочисленных вакуумных насосов вдоль пути пучка. Несмотря на то, что это оборудование громоздкое и дорогостоящее, лазеры на свободных электронах способны достигать очень высоких пиковых мощностей, а возможность настройки FEL делает их востребованными во многих областях, включая химию, определение структуры молекул в биологии, медицинскую диагностику и неразрушающий контроль.
Инфракрасные и терагерцовые FEL
Институт Фрица Хабера в Берлине завершил создание источника СВЧ-излучения на свободных электронах в среднем инфракрасном и терагерцевом диапазонах в 2013 году.
Сев и самосев
Одна из проблем с SASE FEL – отсутствие временной когерентности из-за шумного процесса запуска. Чтобы избежать этого, можно "засеять" FEL лазером, настроенным на резонанс FEL. Такое временно-когерентное семя может быть получено более обычными способами, такими как генерация высоких гармоник (HHG) с использованием оптического лазерного импульса. Это приводит к когерентному усилению входного сигнала; фактически, качество выходного лазера определяется характеристиками семени. В то время как семена HHG доступны на длинах волн до крайнего ультрафиолета, семя не представляется возможным на рентгеновских длинах волн из-за отсутствия обычных рентгеновских лазеров. В конце 2010 года в Италии, в Триестской синхротронной лаборатории, начал ввод в эксплуатацию семенный источник FEL FERMI@Elettra. FERMI@Elettra – это однопроходный пользовательский комплекс FEL, охватывающий диапазон длин волн от 100 нм (12 эВ) до 10 нм (124 эВ), расположенный рядом с синхротроном излучения третьего поколения ELETTRA в Триесте, Италия. В 2001 году в Брукхейвенской национальной лаборатории была разработана техника сеяния под названием "Генерация высоких гармоник", применимая к рентгеновским длинам волн. Метод, который может быть реализован в многоступенчатом FEL для достижения все более коротких длин волн, использует продольное смещение излучения относительно электронного пучка, чтобы избежать снижения качества пучка, вызванного предыдущей ступенью. Это продольное разделение по пучку называется "Fresh Bunch" ("Свежий пучок"). Эта техника была продемонстрирована на рентгеновских длинах волн в Триестской синхротронной лаборатории. Аналогичный подход к ступенчатому усилению, названный "Fresh Slice" ("Свежий срез"), был продемонстрирован в Институте Пола Шеррера, также на рентгеновских длинах волн. В методе "Fresh Slice" короткий рентгеновский импульс, сформированный на первой ступени, перемещается в неиспользованную часть электронного пучка путем поперечного наклона пучка. В 2012 году ученые, работающие на LCLS, нашли альтернативное решение проблемы сеяния для рентгеновских длин волн, используя самосеяние лазера собственным пучком после фильтрации через алмазный монохроматор. Полученная интенсивность и монохроматичность пучка были беспрецедентными и позволили провести новые эксперименты по манипулированию атомами и визуализации молекул. Другие лаборатории по всему миру внедряют эту технику в свое оборудование.
Основные исследования
Исследователи изучали рентгеновские лазеры на свободных электронах как альтернативу синхротронным источникам света, которые долгое время являлись основным инструментом в белковой кристаллографии и клеточной биологии. Исключительно яркие и быстрые рентгеновские лучи позволяют получать изображения белков с помощью рентгеновской кристаллографии. Эта методика позволяет впервые визуализировать белки, которые не кристаллизуются таким образом, чтобы их можно было исследовать традиционными методами – это касается 25% от общего числа белков. Достигнуто разрешение 0,8 нм при длительности импульса 30 фемтосекунд. Для получения четкого изображения требуется разрешение 0,1–0,3 нм. Короткая длительность импульсов позволяет регистрировать дифракционные картины рентгеновского излучения до того, как молекулы будут разрушены. Яркие и быстрые рентгеновские лучи были получены в Когерентном источнике света Linac (LCLS) в SLAC. По состоянию на 2014 год LCLS был самым мощным в мире рентгеновским FEL. Благодаря увеличению частоты повторения импульсов в источниках рентгеновских лазеров на свободных электронах нового поколения, таких как European XFEL, ожидается существенное увеличение количества получаемых дифракционных картин. Рост числа дифракционных картин создаст значительную нагрузку на существующие методы анализа. Для решения этой проблемы изучаются различные методы сортировки огромных объемов данных, генерируемых в типичных экспериментах с использованием рентгеновских FEL. Хотя эти методы показали свою эффективность, очевидно, что для реализации визуализации отдельных частиц с помощью рентгеновских FEL на максимальной частоте повторения необходимо преодолеть ряд проблем, прежде чем можно будет достичь следующего прорыва в разрешении. Новые биомаркеры для метаболических заболеваний: используя селективность и чувствительность при сочетании инфракрасной ионной спектроскопии и масс-спектрометрии, ученые могут получать структурные «отпечатки» малых молекул в биологических образцах, таких как кровь или моча. Эта новая и уникальная методология открывает захватывающие возможности для более глубокого понимания метаболических заболеваний и разработки новых диагностических и терапевтических стратегий.
Хирургические операции
Исследование, проведенное Гленном Эдвардсом и его коллегами из Центра FEL Университета Вандербильта в 1994 году, показало, что мягкие ткани, включая кожу, роговицу и ткань мозга, можно рассекать или аблябировать с помощью инфракрасных длин волн FEL около 6,45 микрометров, сводя к минимуму повреждение окружающих тканей. Это привело к проведению операций на людях – первых в истории с использованием лазера на свободных электронах. Начиная с 1999 года, Копланд и Конрад выполнили три операции по удалению опухолей мозга – менингиом. Начиная с 2000 года, Джоос и Маун провели пять операций, в ходе которых сделали разрез в оболочке зрительного нерва для оценки эффективности фенестрации оболочки зрительного нерва. Результаты этих восьми операций соответствовали общепринятым стандартам лечения и имели дополнительное преимущество в виде минимального повреждения окружающих тканей. Обзор применения FEL в медицине представлен в первом издании книги Tunable Laser Applications.
Удаление жира
Было создано несколько небольших клинических лазеров, настраиваемых в диапазоне от 6 до 7 микрометров, с импульсной структурой и энергией, обеспечивающей минимальное повреждение окружающих мягких тканей. В Университете Вандербильта существует система, использующая эффект Рамана и накачиваемая александритовым лазером. Рокс Андерсон предложил использовать лазер свободных электронов в медицине для плавления жиров, не повреждая при этом кожу. При инфракрасных длинах волн вода в тканях нагревалась лазером, однако при длинах волн 915, 1210 и 1720 нм подкожные липиды нагревались дифференциально, то есть сильнее, чем вода. Возможные применения этого селективного фототермолиза (нагревания тканей светом) включают селективное разрушение липидов сальных желез для лечения акне, а также воздействие на другие липиды, связанные с целлюлитом и жировыми отложениями, а также на жировые бляшки в артериях, что может помочь в лечении атеросклероза и сердечно-сосудистых заболеваний.
Военный
Технология FEL оценивается ВМС США в качестве кандидата на создание оружия направленной энергии для противовоздушной и противоракетной обороны. FEL Национального ускорителя Томаса Джефферсона продемонстрировал выходную мощность более 14 кВт. Ведутся исследования компактного оружия FEL класса многомегаватт. 9 июня 2009 года Управление военно-морских исследований объявило о заключении контракта с компанией Raytheon на разработку экспериментального FEL мощностью 100 кВт. 18 марта 2010 года компания Boeing Directed Energy Systems объявила о завершении предварительного проектирования для использования ВМС США. Был продемонстрирован прототип системы FEL, а прототип на полную мощность планируется к созданию к 2018 году.