Làser d'electrons lliures
El làser d'electrons lliures o FEL (sigla de free-electron laser en anglés) és un làser que compartix les propietats òptiques de làsers convencionals, és dir, l'emissió d'un fes coherent de radiació electromagnètica que pot alcançar una alta potència, pero que es basa un principi físic totalment diferent per a generar el fes: En lloc d'excitar electrons a diferents nivells d'energia atòmics o moleculars, un FEL usa un fes d'electrons accelerats a velocitats relativistes com mig actiu per a generar el làser; estos electrons no estan lligats a àtoms, sino que es mouen lliurement en un camp magnètic, d'ahí el terme «electró lliure».[1]
John Madey va construir el primer làser d'electrons lliures en 1976. Actualment existixen més d'una dotzena en funcionament o en construcció. Els làsers d'electrons lliures tenen el ranc de freqüències més ampli de tots els tipos de làser i són fàcilment sintonisables:[2] actualment es poden obtindre llongituts d'ona en una àmplia part del espectre electromagnètic, des de les microones, passant per la radiació infrarroja, lavisible, ultravioleta i fins a rajos X.[3] Estos instruments són útils per a l'investigació científica en física, química, biologia, el desenroll de nous materials i tecnologies i tenen aplicacions pràctiques en medicina i l'indústria militar.
Història
[editar | editar còdic]
El làser d'electrons lliures va ser inventat per John Madey;[4] el primer prototip va ser construït en l'universitat de Stanford en 1976.[4] L'inspiració per a l'invent va sorgir de l'investigació realisada per Hans Motz sobre els camps magnètics periòdics coneguts com wigglers o onduladorés, crucials per a generar el mig actiu del làser d'electrons. Madey va utilisar un fes d'electrons en una energia de 24 MeV i un wiggler de 5 m de llongitut per a amplificar la radiació. Al poc temps atres laboratoris varen escomençar a construir més làsers d'este tipo. En 1992 es va escomençar a considerar la possibilitat de construir un FEL de rajos X. En 2009 va escomençar a funcionar el primer, LCLS (LINAC Coherent Light Source) en el Laboratori Nacional d'Acceleradors SLAC (Califòrnia).[5] En 2011, es va posar en marcha SACLA (SPring-8 Àngstrom Compact Free Electron Laser) en Japó,[6] mentres que un tercer, el XFEL Europeu, es troba en construcció en Alemània.
Creació del fes làser
[editar | editar còdic]
Per a generar la llum làser, s'accelera un fes d'electrons fins que alcança una velocitat propenca a la de la llum. Els electrons travessen un camp magnètic periòdic travesser, produït per dos rencs d'imanés en orientació alternante dels pols. Esta configuració magnètica es coneix en el nom d'ondulador, perque els electrons que ho travessen descriuen una trayectòria sinusoidal. L'acceleració que els electrons experimenten en seguir esta trayectòria resulta en emissió de llum o radiació sincrotrón. Esta radiació interactua a la seua volta en el fes d'electrons i causa que estos se separen en grups molt concentrats separats per una llongitut d'ona de la radiació (microbunching). Els electrons aixina agrupats emeten en fase, en la qual cosa les amplitut de radiació emesa per cada electró se sumen i la seua intensitat total és el quadrat de la que s'obtindria en un ondulador convencional. Ademés l'intensitat s'amplificada exponencialment a lo llarc del ondulador fins que s'alcança un règim de saturació, en el que els electrons escomencen a absorbir tanta energia de la radiació com la que suministren; els FEL estan normalment dissenyats per a que la llongitut del ondulador coincidixca en la llongitut en la que s'aplega a la saturació.[7]
El procés en el que el camp electromagnètic causant de la separació espacial dels grups d'electrons és per l'oscilació dels electrons mateixos, es coneix com SASE —Self Amplified Spontaneous Emission o emissió espontànea auto-amplificada—. També es pot causar la separació del fes d'electrons injectant un fes de llum coherent junt en els electrons (seeding en anglés, o «sembrat»).[8] Existixen varis métodos alternatius per a efectuar el sembrat, com la generació d'harmònics d'alt guany —High Gain Harmonic Generation o HGHG— , en el que el camp «llavor» i el fes d'electrons interactuen durant un número de cicles durant els quals la freqüència de la llum s'incrementa a un harmònic superior,[9] o la generació d'harmònics per eco —Tire-Enabled Harmonic Generation o EEHG—, que usa dos camps llavor.[10][11] El FEL FERMI va ser el primer en implementar un sistema de sembrat,[12] seguit per LCLS.[13]
Acceleradors
[editar | editar còdic]
El làser d'electrons lliure precisa l'us d'un accelerador d'electrons blindat en un escut anti-radiactiu, ya que els electrons accelerats i la radiació que emeten són perillosos. Els acceleradors estan alimentats per un klistrón, que requerix un voltage molt alt. El fes d'electrons té que estar en un buit per a que no siga dispersat per matèria o àtoms presents en la cavitat del làser. El buit es manté gràcies a numeroses bombes a lo llarc del recorregut del fes. Per a evitar que els electrons accelerats es dispersen i preservar la forma i tamany del fes s'utilisen lents electromagnètiques, com cuadrupolos i sextupolos.
Propietats del làser
[editar | editar còdic]- Llongitut d'ona
La llongitut d'ona de la llum emesa es pot ajustar o sintonizar canviant l'energia del fes d'electrons o el camp magnètic del ondulador (per eixemple, variant la distància entre els imans)
- Coherència
La radiació SASE és coherent espacialmente, pero no temporalment, degut a que inicialment els electrons no irradian en fase. La coherència temporal es pot conseguir per mig del sembrat del fes d'electrons.
- Radiació pulsada
Una propietat interessant d'estos instruments és que la radiació no és contínua, sino que està separada en polsos d'una duració entre nano i femtosegundos. Açò els fa apropiats per a investigar processos físics o químics que tenen lloc en escales de temps molt ràpides.
Rajos-X
[editar | editar còdic]
La construcció d'un FEL de rajos-X és particularment complicada, degut a que el fes d'electrons deu estar molt colimado i concentrat per a que el procés de microbunching tinga lloc. En la pràctica, llongituts d'ona prop d'un ángstrom solament es poden conseguir utilisant aceleratores llineals d'alta energia, com en SLAC (Califòrnia) o DESY (Hamburc)[14][15] En Spring-8, el FEL SACLA utilisa un accelerador llineal d'alt gradient combinat en onduladores de periodo curt. Els instruments en funcionament es basen en l'emissió espontànea (SASE). En 2012, es va demostrar experimentalment la possibilitat d'usar la pròpia emissió de el FEL per a iniciar el procés de multibunching, un procés cridat self-seeding o «autosembrado», que permet generar llum totalment coherent de llongitut d'ona curta.[13]
Vore també
[editar | editar còdic]Referències
[editar | editar còdic]- ↑ «Sistemes làser específics». Consultat el 27 de març de 2011.
- ↑ (1995) «9», F. J. Duarte (ed.). Tunable Lasers Handbook (en anglés), Academic, New York.
- ↑ «New Era of Research Begins as World's First Hard X-ray Laser Achieves "First Light"» (en anglés). Archivat des d'el original, el 2011-06-14. Consultat el 27 de març de 2011.
- ↑ 4,0 4,1 “First Operation of a Free-Electron Laser” (1977). Physical Review Letters 38 (16): 892–894. Prl.aps.org. doi:. Bibcode: 1977PhRvL..38..892D.
- ↑ Nature.461
- ↑ «Cutting-Edge X-Ray Free Electron Laser Facility Unveiled in Japan» (en anglés). ScienceDaily. Consultat el 26 de juliol de 2011.
- ↑ Journal of Synchrotron Radiation.18
- ↑ Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams.10Consultat el 4 d'abril de 2011.
- ↑ «Seeded Free Electron Lasers» (en anglés). Hemlholz-Zentrum Berlin. Archivat des d'el original, el 4 d'abril de 2009. Consultat el 10 de decembre de 2012.
- ↑ «A novell principle of seeded free electron lasers demonstrated at SINAP» (en anglés). Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Archivat des d'el original, el 4 de març de 2016. Consultat el 10 de decembre de 2012.
- ↑ Zhao, Z. T. et a el(2012).Nature Photonics.6
- 360–363.doi:10.1038/nphoton.2012.105.
- ↑ «FERMI light source» (en anglés). Elettra-Sincrotrone Trieste. Consultat el 10 de decembre de 2012.
- ↑ 13,0 13,1 Amann, J. et a el(2012).Nature Photonics.6
- 693–698.doi:10.1038/nphoton.2012.180.
- ↑ «What is LCLS» (en anglés). Archivat des d'el original, el 17 d'agost de 2017. Consultat el 4 d'abril de 2011.
- ↑ R. Brinkmann, K. Flöttmann, J. Roßbach, P. Schmüser, N. Walker, H. Weise (ed.): «TESLA Technical Design Report. PART II: The Accelerator». Archivat des d'el original, el 2 de giner de 2007. Consultat el 4 d'abril de 2011.
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Láser de electrones libres» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.