Mikä on vapaaelektronilaser?

Vapaaelektronilaser (FEL, free electron laser) on lineaarikiihdytin, joka on suunniteltu tuottamaan hyvin nopeita valonpurskeita jotka ovat äärimmäisen kirkkaita. Vapaaelektronilaserit ovat siis kirkkaimpia valonlähteitä, joita ihmiskunta on ikinä rakentanut.

Vapaaelektronilaserissa optinen vahvistus tapahtuu undulaattorissa, jonne elektronikiihdytin syöttää korkeaenergisiä elektroneita. FEL on suunniteltu tuottamaan säteilyä, jonka spektrin röntgenosan aallonpituudet ulottuvat aina teraherzien alueelle.

Undulaattorissa tuotetaan röntgenlaserin välähdys: jotta saadaan aikaan äärimmäisen lyhyt ja intensiivinen röntgenlasersäde, Euroopan XFEL:issä korkeaenergiset elektroniryppäät ohjataan erikoisjärjestelyillä undulaattorin magneetteihin (ks. European XFEL / Marc Hermann)

Vapaaelektronilaserin säteily on erittäin korkeatehoista, ja FEL:n säädettävyys tekee niistä hyödyllisen työkalun useiden eri alojen tarkoituksiin, ml. fysiikan, kemian, biologian ja materiaalitieteet.

Vapaaelektronilaser vaatii sen, että elektronit pitää kiihdyttää lähelle valonnopeutta. Elektronisäde kulkee undulaattorin magneettikenttien läpi, puolelta toiselle eri napaisten magneettien järjestetyn jaksollisuuden mukaisesti. Varsinainen FEL säteily syntyy sitten SASE (self amplified spontaneous emission) prosessissa. Tämä itsenään vahvistava prosessi aiheutuu röntgensäteilyn vuorovaikutuksessa elektronien kanssa. Koska säteily on nopeampaa kuin elektronien nopeus omalla slalom-radallaan, säteily voittaa etummaiset elektronit and vuorovaikuttaa tällöin niiden kanssa – kiihdyttäen osaa ja hidastaen osaa. Tuloksena elektronit järjestäytyvät gradienttimaisesti useisiin äärimmäisen ohuisiin kiekkoihin.

Oleellisinta kyseisessä prosessissa on se, että tietyn kiekon kaikki elektronit emittoivat valoa täysin samanvaiheisesti. Tämän johdosta syntyy äärimmäisen lyhyitä ja intensiivisiä röntgenvälähdyksiä, joilla on laserin ominaisuudet. Tämä reaktio toteuttaa SASE-periaatteen eli itseään vahvistavan spontaanin emission (SASE = self-amplified spontaneous emission). Koska näiden kiekkojen rakenteen täysi muodostuminen kestää oman aikansa undulaattorissa, vapaaelektronilaserin undulaattorin on oltava tarpeeksi pitkä. Esimerkiksi Euroopan XFEL:n undulaattorin pituus on yli 100 m.

Lähteet: European XFEL, Wikipedia, SLAC Stanford Linear Accelerator Laboratory