ليزرهاي الكترون آزاد

هانري فرويند و رابرت پاركر
الكترونها به كمك ميدان مغناطيسي مي توانند در امواج نوري انرژي بدمند . پرتو شديدي كه حاصل مي شود مي تواند ساختارهاي بلوري را بكارد و احتمالاً موشكها را در فضا منهدم كند .

ليزر الكترون آزاد علي الوصول چشمه نور بسيار قابل انعطافي است ، بازده آن زياد است عملاً روي طول هر موجي كوك مي شود . در توانهاي زياد كار مي كند و البته نور همدوس توليد مي كند . در صورتي كه ليزرهاي گازي و حالت جامد فقط در طول موج هايي كه خاص گذارهاي انرژي مواد فعال آنهاست مي توانند نور توليد كنند . اگر چه ليزرهاي زرينه اي را هم مي توان روي نواري باريكي از طول موجها كوك كرد . ولي دمش نوري آنها ( معمولاً ) مستلزم ليزر گازي است و بعلاوه اين ليزرها فقط در توانهاي نسبتاً كم مي توانند كار كنند . نكته ديگر

اينكه ، بر خلاف ليزرهاي مداول كه نوعاً فقط تا چند درصد از انرژي دريافتي را به نور تبديل مي كنند بازده بالقوه ليزرهاي الكترون آزاد به ۶۵ درصد نيز مي رسد . از ليزرهاي الكترون آزاد تا كنون در آزمايشهايي در زمينه هاي گوناگون از فيزيك حالت جامد گرفته تا زيست شناسي مولكولي استفاده شده است و فعلاً روي تكميل گونه هايي از آن براي مقاصد مختلف نظامي از جمله سلاحهايي براي هدايت انرژي كار مي شود .

تا كنون ليزرهاي الكترون آزاد عمدتاً به آزمايشگاه محدود بوده اند و اغلب آنها در مجاورت شتاب دهنده هاي الكترون ساخته شده اند . اگر چه ليزر الكترون آزاد توانايي آن را دارد كه در طول موج هاي ميكرو موج تا فرابنفش نور گسيل كند اما پژوهشگران در به كار انداختن آن در طول موجهاي مرئي و كوتاهتر با دشواريهايي مواجه بوده اند . ليزرهاي الكترون آزاد بتازگي جايگاه خود را پيدا كرده اند . براي آنها شتاب دهنده هايي مطابق ضرورتها طراحي مي شود . و تجهيزاتي برپا مي شود تا دست اندر كاران رشته هاي ديگر نيز بتوانند از بركات اين چشمه جديد نور شديد بهره مند شوند .

در ليزر الكترون آزاد نيز مثل ليزرهاي معمولي ، نور همدوس توسط الكترونها گسيل مي شود اما در اين مورد ( چنانكه از اسم ليزر هم پيداست) الكترونها به جاي آنكه به اتمهاي ماده فعال ليزر مقيد شوند به شكل باريكه اي در خلاء حركت مي كنند . چون الكترونها آزادند طول موجي كه گسيل مي كنند به گذار مجاز ميان دو تراز انرژي يك ماده خاص محدود نمي شود . در اصطلاح مكانيك كوانتمي ، الكترون در اثر انتقال از يك تراز انرژي به تراز ديگر در پيوستاري از ترازها نور گسيل مي كند . البته اين فرايند را صرفاً با نظريه الكترو مغناطيس كلاسيك نيز مي توان توصيف كرد . نور اين ليزرها در اثر برهم كنش سه عامل توليد مي شود :

باريكه الكترون ، يك موج الكترو مغناطيسي كه در همان راستاي حركت الكترونها در كاواك ليزر حركت مي كند و يك ميدان مغناطيسي كه در فضا دوره اي است و به وسيله يك مجموعه آهنربا مشهور به ويگلر ايجاد مي شود . تاثير ميدان مغناطيسي ويگلر روي الكترونها طوري است كه الكترونها به موج الكترومغناطيسي انرژي مي دهند . اين انرژي باعث تقويت موج مي شوند و بعداً ليزر آن را گسيل مي كند .

وقتي موج نور از ميان ميدان مغناطيسي مواجي نظير آنچه ويگلر ايجاد مي كند مي گذرد تغييرات فضايي ميدان ويگلر با تغييرات ميدان الكترومغناطيسي موج نور تركيب مي شود و يك موج زنش به وجود مي آيد كه اساساً نقش تداخل اين دو موج است . بسامد موج زنش با بسامد موج نور يكي است . ولي عدد موج آن برابر با مجموع عدد موجهاي باريكه نور و ميدان ويگلر است .

با اينكه بسامد موج زنش با بسامد موج نور يكسان است ولي چون عدد موج اولي بزرگتر( و بنابراين طول موج كوچكتر ) است آهسته تر از موج نور حركت مي كند .به همين سبب به آن موج « گرانرو » مي گويند . ميدان الكترو مغناطيسي موج گرانرو تركيبي از ميدان موج نور و ميدان ساكن ويگلر است بنابراين عملاً اين همان ميداني است كه بر الكترون هنگام عبور از ليزر الكترون آزاد اثر مي كند . اگر الكترون با سرعت اين موج حركت كند تحت تاثيرميداني ثابت قرار مي گرد كه به آن قسمت از موج تعلق دارد كه با الكترون در حركت است .

برهم كنش الكترونها و موج گرانرو شبيه به بر هم كنش موج سواران با موجي است كه به ساحل نزديك مي شود . اگر موج سواران در آب حركتي نداشته باشد موقع عبور موج فقط بالا مي روند و بعد از زماني كوتاه باز به جاي اولشان باز مي گردند . اما اگر موج سواران خود را با سرعت موج تطبيق بدهند و بتوانند بر موج « سوار » شوند اندازه حركت قابل ملاحظه اي از موج دريافت مي كنند كه مي توانند آنها را به طرف ساحل بكشانند .

( در ليزر الكترون آزاد ، الكترونها موج را تقويت مي كنند بنابراين وضعيت بيشتر شبيه آن است كه موج سواران را « هل » بدهند و ارتفاع آن را زياد كنند . ) چگونه يك ميدان مغناطيسي عرضي و يك موج الكترومغناطيسي كه عمود بر امتداد آن منتشر مي شود مي توانند منجر به نيرويي محوري ( طولي ) شوند كه مي تواند از باريكه الكترون انرژي بگيرد ؟

الكتروني كه در ميدان مغناطيسي حركت مي كند تحت تاثير نيرويي واقع مي شود كه هم بر امتداد ميدان و هم بر امتداد حركت عمود است . وقتي الكترون وارد ميدان عرضي ويگلر مي شود تحت تاثير يك نيروي عرضي قرار مي گيرد كه به ان سرعتي عرضي مي دهد . بر هم كنش اين سرعت عرضي كه ويگلر ايجاد كرده با ميدان مغناطيسي موج الكترو مغناطيسي نيرويي عمود بر هر دو – در امتداد محور – ايجاد مي كند كه همان نيروي « گرانروي » است .

الكتروني كه سريعاً از موج گرانرو حركت مي كند در خلاف جهت نيروي گرانروي در حركت است و بنابراين كند خواهد شد . انرژي كل سيستم موج – ذره بايد پايسته بماند بنابراين انرژيي كه الكترون از دست مي دهد نصيب موج مي شود . به اين ترتيب موج نوري كه از داخل كاواك مي گذرد با انرژي الكترون تقويت مي شود . ميزان تقويت به تفاوت سرعت الكترون با

سرعت موج گرانرو و نيز به شدت بر هم كنش ميان الكترون و اين موج بستگي دارد . اگزر سرعت الكترونها و سرعت موج تقريباً برابر باشند الكترونها پيش از آنكه كند شوند و ديگر نتوانند از قله هاي موج بگذرند مقدار كمي انرژي به موج مي دهند . اما اگر الكترونها خيلي سريعتر يا خيلي آهسته تر از موج گرانرو در حركت باشند بر هم كنش ميان اين دو خفيف خواهد بود . وقتي الكترونها و موج گرانرو با هم در ميدان ويگلر حركت مي كنند الكترونها انرژي از دست مي دهند و كند مي شوند تا اينكه ديگر نمي توانند از قله هاي موج گرانرو بگذرند . موج گرانرو

سرعت الكترونها را آنقدر كم مي كند كه حركت آنها كند تر از حركت موج مي شود . آن وقت قله بعدي از راه مي رسد و دوباره به الكترونها شتاب مي دهد به اين ترتيب الكترونها به دام مي افتند و در دره هاي موج گرانرو پس و پيش مي شوند . در اين هنگام عمل تقويت متوقف مي شود . به اين ترتيب باريكه پر انرژي الكترون به باريكه اي غير يكدست با انرژي كمتر تبديل مي شود كه در آن ناحيه هايي كه چگالي الكترون در آنها زايد است متناوباً با نواحي كم چگالي جا عوض مي كند . در مثال موج سواري ، مثل اين است كه درياي مملو از تخته هاي

موج سواري با تراكم نسبتاً يكنواخت به دريايي تبديل شود كه در آن اغلب تخته ها موج خاصي را سوار شده باشند . كيفيت باريكه الكترون اوليه نقش تعيين كننده اي در مكانيسم دام اندازي دارد . هر چه دماي باريكه كمتر باشد توزيع سرعت در آن باريكتر است و كارايي ليزر الكترون آزاد بيشتر خواهد بود . اگر گستردگي توزيع سرعت در باريكه خيلي زياد باشد بسياري از الكترونها به جاي آنكه بخش قابل توجهي از انرژي خود را ازدست بدهند و به دام موج گرانرو بيفتند بي آنكه سرعتشان در مجموع تغيير كند ، از ميدان ويگلر مي گذرند . گستردگي

مناسب براي توزيع سرعت درباريكه بستگي به نوع باريكه و پارامترهاي ويگلر دارد . هر چه طول موج كار ليزر كوچكتر شود قيدها شديدتر مي شوند به طوريكه براي كار ليزر در فرابنفش مشكلات شديدي پيش مي آيد .

 

ليزر الكترون آزاد در ساده ترين شكلش مثل تقويت كننده اي است كه توان موج الكترومغناطيسي گذرنده از كاواك را افزايش مي دهد . ليزر الكترون آزاد كارهاي ديگري نيز مي تواند انجام دهد . مي تواند به صورت نوسانگر عمل كند : موج الكترومغناطيسي از آيينه هاي دو سر كاواك ويگلر بازتابيده مي شود به طوري كه پرتو بارها در داخل سيستم رفت و آمد مي كند و در هر گذر مقداري انرژي از باريكه الكترون دريافت مي كند. اين ليزر حتي مي تواند به صورت تقويت كننده ابرتابنده عمل كند . كه درآن باريكه الكترون امواج الكترومغناطيسي كتره اي ( نوفه شليك )را كه از كاواك ويگلر مي گذرند تقويت مي كند . اگر چه اصول كار ليزر الكترون آزاد نسبتاً ساده است ولي عملي كردن اين اصول بسيار دشوار بوده است. اولين بار هانس ماتز از دانشگاه استانفورد طيف گسيلي باريكه الكترون در ميدان مغناطيسي مواج را در سال ۱۹۵۱ محاسبه كرد . او و همكارانش ابتدا نور سبز آبي ناهمدوس توليد كردند و بعد موفق شدند كه به تقويت همدوس در طول موجهاي ميلي متري دست يابند . چون كيفيت باريكه الكترون خوب نبود ماتز و همكارانش نتوانستند نور همدوس در طول موجهاي مرئي توليد كنند .

در سال ۱۹۵۷ رابرت فيليپس از شركت جنرال الكتريك كاربرد ميدانهاي مغناطيسي مواج در تقويت ميكرو موج را مستقلاً كشف كرد . او يوبيترون خود را طي هفت سال تكامل بخشيد و طرحهاي متعددي ارائه كرد كه هنوز بكار مي روند . يكي از دستگاههاي او ۱۵۰ كيلو وات پرتو ميكرو موج همدوس در طول موج ۵ ميلي متر توليد كرد .فيليپس از نظر زماني بد شانسي آورد زيرا در آن زمان دنياي الكترونيك دوران انتقال از الكترونيك لامپي به الكترونيك جامد و قطعات مبتني بر مكانيك كوانتمي را مي گذارند و جنرال الكتريك ساخت يوبيترون را در سا ۱۹۶۴ متوقف كرد.

ليز الكترون آزاد در سال ۱۹۷۵/۱۳۵۴ بار ديگر مورد توجه قرار داد . اين هنگامي بود كه ميدي ( كسي كه اصطلاح ليزر الكترون آزاد را رايج كرد ) و همكارانش در استانفورد با استفاده از يك ويگلر مارپيچي و باريكه الكتروني كه از يك شتابدهنده خطي مي گرفتند توانستند خروجي ليزر co2 با طول موج ۶ و ۱۰ ميكرون را تقويت كنند . موفقيت هاي ميدي مرهون پيشرفتهايي بود كه در تكنولوژي شتاب دهنده هاي خطي و طراحي ويگلر حاصل شد . همزمان با تحقيقات استانفورد آزمايشگران در چندين مركز كاربر روي ليزرهاي الكترون آزاد ميكرو موجي ( اخلاف يوبيترون ) را شروع كردند . هدف از طرح هايي كه در آزمايشگاه تحقيقاتي نيروي دريايي دانشگاه كلمبيا و موسسه تكنولوژي ماساچوست ( MIT ) اجرا مي شد توليد تپهاي كوتاه با توان قله بسيار زياد بود . به فاصله كوتاهي طرح هاي ديگري در اكول پلي تكنيك فرانسه ، شركت TRW و آزمايشگاه ملي لارنس ليومور آغاز شد . ( در بسياري از كاربردها تپهاي كوتاه بر تپهاي بلند با همان توان متوسط برتري دارد زيرا با تپهاي كوتاه قبل از آنكه باريكه فرودي حالت هدف را بطور قاب توجهي تغيير بدهد تعداد بيشتري فوتون تحويل هدف مي شود . ) آزمايشگران از باريكه هاي الكتروني قوي با انرژي هاي بيش از يك ميليون الكترون ولت ( Mev ) و جريانهاي بيش از ۱۰۰۰آمپراستفاده مي كردند . گستره توان قله از دو مگا وات در طول موج دو ميلي متر در كلمبيا تا يك جيگا وات در طول موج هشت ميلي متر در ليور مور را شمامل مي شد . ليزر ليورمور ۳۵ درصد انرژي باريكه الكنرونش را به وسيله ويگلر

نايكنواخت به پرتوالكترو مغناطيسي تبديل مي كرد. تازه در سال ۱۹۸۷/۱۳۶۶ بود كه اولين ليزر الكترون آزاد نور مرئي با استفاده از حلقه انباشت الكترون ACQ دانشگاه پاريس در ارسي ساخته شد. از آن موقع تاكنون ليزر الكترون آزاد ديگري در مجاورت حلقه انباشت در نووسيبرسك دراتحاد جماهير شوروي ساخته شد كه نور مرئي گسيل مي كند . ليزر الكترون آزاد نور مرئي دراستانفورد و بخش فضايي شركت بويينگ در امريكا نيز با استفاده از شتا بدهنده هاي خطي راديو – بسامدي ساخته شده است. در حال حاضر كار روي ليزرهاي الكترون آزاد ، هم در طول موجهاي مرئي و هم در طول موجهاي ميلي متري ادامه دارد. هدف اصلي پژوهشگران رسيدن به توانهاي بيشتر ، بخصوص توانهاي متوسط بيشتر ، و طول موجهاي كوتاهتراست . نيل به اين هدفها مستلزم پيشرفتهايي است درطراحي شتابدهنده الكترون ، تا بتواند باريكه هايي شديدتر و يكنواخت تر توليد كند و همچنين در طراحي ويگلر ، تا بتواند انرژي بيشتري از الكترونها بگيرد و آن را در طول موجهاي كوتاهتر نورجفت كند. بازده ليزر الكترون آزاد ساده اي كه به ويگلر يكنواخت مجهز باشد حدي دارد .