ليزر الكترون آزاد (FEL ) [1]

يكي از جديد ترين انواع ليزر كه از نظر ساختار با ليزرهاي مرسوم تفاوت هاي قابل توجه دارد ليزر الكترون آزاد است. از مهمترين ويزگيهاي آن شدت، كيفيت بالاي نور ليزر و تنظيم پذيري آن در يك طيف بسيار كسترده نسبت به ساير ليزر ها است. اموزه كشورهاي پيشرفته توان زيادي را در تحقيق روي اين ليزر صرف مي كنند.

وقتي يك ذره بار دار شتاب دار شود، از خودش تابش الكترومغناطيس متساطع مي كند؛ هر چه شتاب وارد شده بيشتر باشد توان اين تابش بيشتر خواهد شد. حال اگر اين ذره داراي سرعتي نسبيتي باشد، تابشي جهتمند خواهد داشت. اين اساس كار ليزر الكترون آزاد1 مي‌باشد. و روش مرسوم براي شتاب وارد كردن بر ذره بار دار وجود دارد: يكي شتاب درجهتسرعت ديگري شتاب در جهت عمود بر سرعت حركت ذره. براي روش اول نياز به دستگاهبسيار حجيمي مي باشد، زيرا در حين وارد كردن شتاب لازم بر ذره بار دار، چون سرعتذره نسبيتي است مسافت بسيار زيادي را طي خواهد كرد، ولي با روش دوم همان شتاب را بايك حجم محدودي مي توان تامين كرد . براي وارد كردن شتاب عرضي نياز يك نيرويعرضي مي باشد. براي اين كار از آهنرباهاي مخصوص كه جهت ميدان مغناطيسي آنهاعمود بر جهت حركت ذره باردار مي باشد استفاده مي شود. ذره بر اثر نيروي مغناطيسيلورنتس مسير دايره اي را طي مي كند. ولي چون مي خواهيم ذره در حين نوسان در راستای سرعت اوليه اش حركت كند بايد جهت ميدان مغناطيسي به طور متناوب عوض شود. بههمين علت از تعدادي آهنربا كه جهت ميدان مغناطيسي آنها يك در ميان عوض مي شوداستفاده مي كنيم. چون اين آهنرباها باعث نوسان ذره بار دار ميشوند آنها را جنباننده يا ويگلر2 مي نامند.

FEL Scheme

ويگلر يا جنبانده قسمت اصلي ليزر الكترون آزاد است

انتخاب الكترون بعنوان ذره باردار در اين ليزر به خاطر بهينه بودن آن، چه ازلحاظ عملي و چه از لحاظ نظري است. تقريبا تمام تابشهاي گسيل شده در يك لحظه توسطالكتروني كه در ميدان مغناطيسي ويگلر در مسير تناوبي در حال حركت است، در داخل يك مخروط با زاويه راس خيلي كوچك محصور است اين زاويه گسيل از نظر عددي حدوداًبرابر نسبت انرژي سكون الكترون به انرژي كل الكترون مي باشد. بنابراين تابش گسيل شده را مي توان بعنوان باريكه اي از پرتوهاي موازي كه از نظرهندسي خيلي شبيه پرتوهاي باريك ليزرهاي مرسوم هستند تلقي كرد.

در ليزر الكترون آزاد الكترونها مقيد به باندهاي انرژي اتمي يا مولكولي(در مقايسه با ليزرهاي معمولي) نيستند. تابش در ليزرهاي الكترون آزاد معمولا بر اساس عبور الكترونها از ميدان مغناطيسي يك آندولاتور يا ويگلر كه باعث مي شود الكترونها در فظا يك مسير تناوبي را طي كنند بوجود مي آيد.

fel01

ساختار نوعي از يك ليزر الكترون آزاد

اين نوع ليزر براي مطالعه ساختار نوارهاي انرژي الکترون در نيمه رساناها، تقسيم اشتراکي خطوط طيفي در ميدانها شديد الکتريکي و برانگيزش خطي و غير خطی فونونها (امواج صوتي کوانتيده ) در بلورها استفاده مي شود. علاوه بر كاربردهای پژوهشي ليزر الکترون آزاد در زمينه هاي مانند پزشکي، مخابرات، رادار وگرم کردن پلاسما قابل استفاده است. كاربردهاي پزشکي اين نوع ليزر به خصوص برای جراحي قابل تاملند. از اين ليزرها مي‌توان هم براي بريدن و هم براي انجام عمل فوتونجوش ( انقعاد از طريق داغ کردن ) استفاده کرد. براي بريدن معمولاً نورفروسرخ 3 ميکروني لازم است. اما براي جوش دادن به طول موجهاي ميان صفر تا 5/1 ميکرون نياز است. اساساً ليزر الکترون آزاد را مي توان در حين عمل جراحی بنا به ضرورت روي طول موجهاي کوتاه و بلند تنظيم کرد.

کاربرد بحث انگيز ليزرهاي الکترون آزاد با توان زياد و تپ بلند، در امور نظامي ازجمله در انهدام موشکهاي بالستيک است.

محمد سياري زاده

 


[1] Free Electron Laser