Láser de electrones libres
Un láser de electrones libres ( FEL ) es una fuente de luz de sincrotrón (cuarta generación) que produce pulsos cortos y extremadamente brillantes de radiación de sincrotrón. Un FEL funciona y se comporta de muchas formas como un láser , pero en lugar de utilizar la emisión estimulada de excitaciones atómicas o moleculares, emplea electrones relativistas como medio de ganancia . [1] [2] La radiación sincrotrón se genera como un manojo de electrones pasa a través de una estructura magnética (llamado ondulador o wiggler). En un FEL, esta radiación se amplifica aún más a medida que la radiación de sincrotrón vuelve a interactuar con el grupo de electrones, de modo que los electrones comienzan a emitirse de manera coherente, lo que permite un aumento exponencial de la intensidad de la radiación general.
Como la energía cinética de los electrones y los parámetros del ondulador se pueden adaptar como se desee, los láseres de electrones libres se pueden sintonizar y se pueden construir para un rango de frecuencia más amplio que cualquier tipo de láser, [3] que actualmente varían en longitud de onda desde microondas , hasta radiación de terahercios e infrarrojos , a la visible del espectro , ultravioleta , y de rayos X . [4]
El primer láser de electrones libres fue desarrollado por John Madey en 1971 en la Universidad de Stanford [5] utilizando tecnología desarrollada por Hans Motz y sus compañeros de trabajo, quienes construyeron un ondulador en Stanford en 1953, [6] [7] usando la configuración magnética wiggler . Madey utilizó un haz de electrones de 43 MeV [8] y un meneo de 5 m de largo para amplificar una señal.
Para crear un FEL, se acelera un haz de electrones hasta casi la velocidad de la luz . El rayo pasa a través de una disposición periódica de imanes con polos alternos a través de la trayectoria del rayo, lo que crea un campo magnético de lado a lado . La dirección del haz se llama dirección longitudinal, mientras que la dirección a través de la trayectoria del haz se llama transversal. Este conjunto de imanes se denomina ondulador o meneo , porque la fuerza de Lorentz del campo obliga a los electrones del haz a moverse transversalmente, viajando a lo largo de una trayectoria sinusoidal alrededor del eje del ondulador.
La aceleración transversal de los electrones a través de este camino da como resultado la liberación de fotones ( radiación de sincrotrón ), que son monocromáticos pero aún incoherentes, porque las ondas electromagnéticas de electrones distribuidos aleatoriamente interfieren constructiva y destructivamente en el tiempo. La potencia de radiación resultante se escala linealmente con el número de electrones. Los espejos en cada extremo del ondulador crean una cavidad óptica , lo que hace que la radiación forme ondas estacionarias o, alternativamente, se proporciona un láser de excitación externo. La radiación de sincrotrón se vuelve lo suficientemente fuerte como para que el campo eléctrico transversaldel haz de radiación interactúa con la corriente de electrones transversal creada por el movimiento de meneo sinusoidal, lo que hace que algunos electrones ganen y otros pierdan energía en el campo óptico a través de la fuerza ponderomotriz .
Esta modulación de energía evoluciona a modulaciones de densidad de electrones (corriente) con un período de una longitud de onda óptica. De este modo, los electrones se agrupan longitudinalmente en microhechos , separados por una longitud de onda óptica a lo largo del eje. Mientras que un ondulador por sí solo haría que los electrones irradiaran de forma independiente (incoherente), la radiación emitida por los electrones agrupados está en fase y los campos se suman coherentemente .
