Лазеры на свободных электронах

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) представляют собой уникальный класс когерентных источников излучения, в которых роль активной среды выполняет не вещество с фиксированными энергетическими уровнями, а пучок релятивистских электронов. Излучение возникает в результате взаимодействия этих электронов с периодическим магнитным полем специальных структур — ондуляторов или вигглеров.

Основная идея заключается в том, что релятивистский электрон, двигаясь сквозь периодическое магнитное поле, начинает совершать вынужденные поперечные колебания. Эти колебания сопровождаются излучением электромагнитных волн. Если параметры ондулятора и энергии пучка удовлетворяют условиям синхронизации (резонанса), излучение от отдельных электронов складывается когерентным образом, что приводит к усилению электромагнитной волны и формированию лазерного излучения.

Ондуляторы и вигглеры

Ключевым элементом ЛСЭ является ондулятор — периодическая магнитная структура, создающая чередующиеся поля противоположной полярности.

  • Ондуляторный параметр определяется выражением

    $$ K = \frac{e B_0 \lambda_u}{2 \pi m c}, $$

    где B0 — амплитуда магнитного поля, λu — период ондулятора, m и e — масса и заряд электрона, c — скорость света.

  • При K ≪ 1 электроны излучают почти монохроматические гармоники, а излучение формируется в узком спектральном диапазоне.

  • При K ≫ 1 (режим вигглера) излучение становится широкополосным и многогармоническим.

Эффективность работы лазера определяется подбором параметров ондулятора и энергией электронного пучка.

Резонансное условие

Частота излучения определяется условием фазового синхронизма между колеблющимися электронами и электромагнитной волной. Для длины волны когерентного излучения выполняется:

$$ \lambda = \frac{\lambda_u}{2 \gamma^2} \left(1 + \frac{K^2}{2}\right), $$

где γ = E/mc2 — фактор Лоренца для электронов.

Таким образом, изменение энергии электронов или параметров ондулятора позволяет перестраивать длину волны в широком диапазоне — от миллиметрового до рентгеновского. Это является важнейшим преимуществом ЛСЭ по сравнению с традиционными лазерами.

Коллективные эффекты и режим самусиления

При достаточно длинной взаимодействующей секции ондулятора излучение может многократно усиливаться. На начальной стадии процесс начинается с спонтанного излучения, возникающего от шумовых флуктуаций в пучке. Постепенно формируется когерентная электромагнитная волна, синфазная с коллективным движением электронов.

В этом режиме действует механизм самоусиленного излучения (Self-Amplified Spontaneous Emission, SASE). Он играет ключевую роль в современных ЛСЭ, особенно в установках рентгеновского диапазона, где создание внешнего когерентного источника на входе практически невозможно.

Основные параметры излучения

Рабочие характеристики ЛСЭ определяются следующими величинами:

  • Диапазон длин волн: от микроволнового до жесткого рентгеновского (≈ 0,1 нм).
  • Мощность: пик мощности в импульсе может достигать десятков гигаватт.
  • Длительность импульсов: в диапазоне фемтосекунд, что делает ЛСЭ незаменимыми для исследования ультрабыстрых процессов.
  • Когерентность: высокая пространственная когерентность, однако временная когерентность в режиме SASE ограничена; для её улучшения используют схемы с внешним семенем или методы сжатия спектра.

Системы электронных пучков

Для работы ЛСЭ требуется источник высококачественного релятивистского электронного пучка. Обычно применяются:

  • Линейные ускорители (ЛИНАКи), обеспечивающие энергию электронов в десятки гигаэлектронвольт.
  • Инжекторы с фотокатодами, создающие пучки с низкой эмиттансой и высокой яркостью.
  • Системы компрессии импульсов, позволяющие уменьшать длительность электронного пакета до десятков фемтосекунд.

Стабильность и качество пучка критически важны для поддержания когерентности излучения.

Современные установки на основе ЛСЭ

Крупнейшие в мире лазеры на свободных электронах построены для генерации рентгеновского излучения. Среди них:

  • LCLS (Linac Coherent Light Source, США) — первый рентгеновский ЛСЭ, введённый в эксплуатацию в 2009 году, работающий в диапазоне 0,15–1,5 нм.
  • European XFEL (Гамбург, Германия) — один из самых мощных источников когерентного рентгеновского излучения, с длиной ондулятора более 2 км.
  • SACLA (Япония) — компактный ЛСЭ, использующий ускоритель на основе C-band.

Эти установки открыли новые возможности для молекулярной биологии, материаловедения и физики конденсированного состояния.

Научные и прикладные задачи

ЛСЭ применяются в ряде передовых исследований:

  • Фемтосекундная рентгеновская кристаллография, позволяющая получать трёхмерные структуры биомолекул до того, как они разрушаются под воздействием излучения.
  • Исследования динамики химических реакций в реальном времени.
  • Физика высоких плотностей энергии, включая изучение свойств материи при экстремальных давлениях и температурах.
  • Материаловедение, где ЛСЭ используются для исследования наноструктур, магнитных явлений и сверхпроводимости.

Перспективы развития

Современные направления развития ЛСЭ включают:

  • Улучшение когерентности с помощью методов seed-laser injection.
  • Компактные схемы с использованием плазменных ускорителей или диэлектрических структур.
  • Туннельные и квантовые режимы генерации, позволяющие исследовать фундаментальные пределы взаимодействия света и вещества.
  • Мультицветные режимы, обеспечивающие синхронное излучение на нескольких длинах волн для сложных экспериментов.
Оглавление