مقدمه

در ليزرهاي رزينه‌اي الکترونها مقيد به يک اتم و يا يک مولکول هستند و يا در طول زنجيره‌اي از اتمها که مولکول دو قطبي را تشکيل مي‌دهند، آزادي حرکت دارند. نيز در ليزرهاي نيم رسانا الکترونها مي‌تواند که در تمام حجم بلورحرکت کنند. ولي در ليزر الکترون آزاد، که يکي از جديدترين و جالبترين انواع ليزرهاست، الکترونها بيشتر از موارد فوق الذکر آزادي حرکت دارند.

در ليزر الکترون آزاد الکترونها آزادانه در يک ميدان مغناطيسي متناوب حرکت مي‌کنند و در اثر برهمکنش ميدان الکترومغناطيسي با الکترونهايي که در اين ساختار تناوبي در حرکتند، فرآيند گسيل القايي رخ مي‌دهد. از نظر تاريخي ، ليزر الکترون آزاد اولين بار در سال 1951 بوسيله Mets پيشنهاد شد. اين ليزر قادر به کار در ناحيه طيفي مرئي و ماوراء بنفش هستند، ولي تا کنون اين ليزرها تنها در طول موج ? = 3/4µm عمل کرده است.

سينماتيک اندرکنش الکترون آزاد- فوتون

ليزرهاي الکترون آزاد ، علت تشعشع انرژي الکترومغناطيسي ، شتاب الکترونها در ميدان متناوب است. نمونه مشابه براي چنين تشعشعي ، تشعشع سينکروترون الکترونهايي است که در يک ميدان مغناطيسي حرکت دايره‌اي انجام مي‌دهند ولي اين تشعشع طيف وسيعي را مي‌پوشاند، لذا براي نوسان ليزري مناسب نيست. در ليزر الکترون آزاد ، الکترونها مجبورند در جهت عرضي (x يا y) حرکت موجي انجام دهند، در حاليکه با سرعتهاي نسبيتي در جهت محور اصلي (z) حرکت مي‌کنند.

مقدار بيشتري از انرژي ميدان تشعشعي حاصله ، بر خلاف تشعشع سينکروترون داراي باند باريکه‌اي از فرکانس است و اين براي نوسان ليزري مناسب است. اين فرکانسها در واقع فرکانسهايي هستند که الکترونها با يک طول موج اپتيکي ، عقب نشيني مي‌کند. تشعشع منتشره در هر نقطه در طول مسير با تشعشع منتشره در زمانهاي قبلي در يک رديف قرار گرفته و بدين ترتيب يک جمع شوندگي ميدان ايجاد مي‌شود (چنين سرعت الکترون نسبيتي است). يک نقطه نظر ديگر ، مبادله توان ( Ex(r,t)Vx(r,t بين الکترون متحرک و موج الکترومغناطيسي متحرک با يک ميدان (E(r,t مي‌باشد. شرط همزماني استنتاج شده در بالا ، تضمين مي‌کند که علامت ExVx نبايد تغيير کند، چون هر تغيير علامتي در Vx اتفاق بيفتد، در همان زمان Ex تغيير علامت مي‌ديد.
توان ExVx که از باريکه الکترون به موج الکترومغناطيسي جاري مي‌شود، پيوسته است (اين توان حادي شده ممکن است منفي باشد). فرکانسهاي گذار فرکانسهايي هستند که طي آن سرعت الکترون تغيير جهت مي‌دهد. الکترون آزاد ، انرژي E1 از ميدان الکتريکي يک فوتون با انرژي Eph جذب کرده و يا به آن يک فوتون مي‌دهد و با انرژي E2 خاتمه مي‌يابد.
چون الکترونها حرکت نسبيتي دارند لذا انرژي آنها نيز بايد از روابط نسبيتي محاسبه شود. اما مشاهده مي‌کنيم که تغيير در انرژي Ee? يک الکترون ، ايجاد يک گذار از مختوم P1 به P2 مي‌کند که کوچکتر از انرژي (P1 - P2) فوتون با مختوم (P1 - P2) مي‌باشد. اين نتيجه در سه بعد نيز صادق است. يکي از راه حلهاي اين مسئله ميانجيگري در اندرکنش بين الکترون و باريکه نور (فوتونها) بوسيله انتقال پريوديک فضايي است که با مضاربي از 2?/L جذب مي‌کند (L پريود است)، اختلال مي‌‌تواند بر فوتون ، الکترون و يا هر دو اثر کند.
براي مشاهده نحوه عمل ، فرض مي‌کنيم در تيوبهاي موج رونده ميکروويو ، جائيکه ميدان الکترومغناطيسي در يک ساختار پريوديک منتشر مي‌شود، به ميدان يک حرکت پريوديک اضافي وارد مي‌شود. در مورد يک ليزر الکترون آزاد ، اين حرکت الکترون است که بطور پريوديکي با بکار بردن يک ميدان مغناطيسي بطور فضايي پريوديکي مدوله مي‌شود. البته مي‌توان ميدان الکترومغناطيسي را بطور فضايي مدوله کرد، اين کار با بکار بردن يک موجي که بطور فضايي پريوديکي است، عملي مي‌باشد.
هرگاه در تيوبهاي موج رونده و شتاب دهنده‌هاي خطي ذرات باردار ، به نقطه نظر کلاسيکي برگرديم: يک الکترون را در نظر مي‌گيريم که با سرعت V در حرکت است و با يک ميدان الکترومغناطيسي رونده که ميدانهاي مغناطيسي و الکتريکي آن به ترتيب بصورت (E(r,t)B(r,t است، اندرکنش مي‌کند.

شرط همزماني (The synchrcnism crndition)

براي اينکه يک تبادل انرژي بين الکترون (با انرژي ?mc2) و يک ميدان E صورت مي‌گيرد، لازم است که سرعت الکترون (v) در امتداد E ، مؤلفه غير صفر داشته باشد. (? ضريب تبديل جرم نسبيتي است) در مورد موج الکترومغناطيسي تخت که در جهت z منتشر مي‌شود Ez = 0 بوده و Ex ? 0 است. براي اينکه بايستي بررسي الکترون يک مؤلفه عرضي Vx داشته باشيم، چون Vz < c است، الکترون نسبت به موج عقب مي‌افتد و بايستي تغيير علامت دهد (جهت سرعت تغيير مي‌کند)، لذا تبادل خالص انرژي بين الکترون و باريکه متوسط گيري مي‌شود.

يک راه حل آشکار اين مسئله ودار کردن الکترون به تغيير سرعتش مي‌باشد. بطوري که در يک جهت با ميدان عرضي حرکت مي‌کند. اين کار با بکار بردن يک ميدان مغناطيسي عرضي پريوديکي فضايي (با پريود 0?) در حضور يک موج الکترومغناطيسي تخت با طول موج ? بيان مي‌شود. بردار سرعت الکترون در z = 0 با ميدان روبرو شده و داراي يک سرعت عرضي موازي جهت ميدان (Vx||Ex) مي‌باشد. بطوري که VxEx>0 است. يک الکترون مشابه در دو نقطه اضافي ديگر نشان داده شده‌اند. بخشي از يک ميدان الکتريکي که در ابتدا در نقطه z = 0 با الکترون روبرو شده ، در نقطه Vx 0 است، ولي ميدان الکترومغناطيسي سريعتر و جلوتر از الکترون حرکت مي‌کند بطوري که Ex < 0 و ExVx > 0 است.
در نقطه z = ?0 ، Vx > 0 است و Ex > 0 است لذا ExVx>0 مي‌باشد. بنابراين در هر نقطه ExVx> 0 است و الکترون بطور پيوسته قرمز شده و به ميدان اپتيکي انرژي مي‌دهد. شرط تشديد P1 - P2 = ±t.k مي‌باشد.

نشر خود به خودي و بهره در FEL

وقتي که الکترون در ميدان مغناطيسي wigglel حرکت شتابدار انجام مي‌دهد (و اين شتاب پريوديک و عرضي مي‌باشد) و از آن يک تشعشع خودبخودي بوجود مي‌آيد، بطوري که طيف حاصل از اين تشعشع از روابط مشابه توري پيروي مي‌کند. (پريودهاي ميدان مغناطيسي براي الکترون به مثابه توري مي‌باشد). الکترون شتابدار موج الکترومغناطيسي تشعشع مي‌کند و اين تشعشع در يک ساختار پريوديک صورت مي‌گيرد. بهره به عنوان اختلاف بين آهنگ نشر و جذب تحريکي بوسيله الکترونهاي تشعشعي مي‌باشد.

مزايا وکاربردهاي FEL

* يکي از مزيتهاي FEL نسبت به ليزرهاي اتمي اين است که در FEL با افزايش طول اندرکنش L ، بهره الزاما افزايش پيدا نمي‌کند و ممکن است بهره از بين رفته و حتي منفي شود و خود L افزايش مي‌يابد، فرکانس براي ماکزيمم بهره به مقدار تشديد خود نزديک مي‌شود.
* در نوسانگرهاي FEL تشعشع از افت و خيز چگالي باريکه الکتروني و يا از نشر خودبخودي آغاز مي‌شود و هنگامي که توان تبديلي از باريکه الکتروني بتوان تشعشعي از اتلافات تشعشع در مشدد زياد باشد عمل ليزر صورت مي‌گيرد. مزيت اصلي FEL به ليزرهاي کوانتومي قابليت تنظيم تشعشع آن مي‌باشد. در ليزرهاي کوانتومي طول موج ليزر بوسيله انرژي گذارهاي بين ترازهاي کوانتومي اتمها يا مولکولها در ماده فعال مشخص مي‌شود و علي‌رغم تنوع و تعداد مواد فعال ليزري تعداد ترازهاي کوانتومي محدود است (محدود به معني متناهي) ولي در FEL ها طول موج ليزر بوسيله پارامترهاي باريکه الکتروني و ساختار الکتروديناميکي آنها مشخص مي‌شود (ديوارهاي موجي ، آينه‌هاي مشدد و ...) نيز با مشخصه‌هاي ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي در ناحيه اندرکنش.
* تشعشع FEL مي‌تواند بر يک نقطه که سايز آن با پديده‌هاي پراش مشخص مي‌شود، متمرکز گردد.
* تقويت نور در FEL ها در خلأ صورت مي‌گيرد، لذا اثرات ماده فعال روي نور وجود ندارد و پراش نيز کم است. لذا اين ليزر براي طي مسير طولاني و توانهايي بالا مناسب است، ولي در ليزرهاي معمولي بخاطر پراکندگي ماده فعال توان خروجي کم است، ولي مشکل عمده FEL ها تکنيک شتاب دهنده الکتروني است.
* بهره FEL ها بالاي 100% است، ولي محدوديتهاي موجود (نه از نظر فيزيکي) باعث شده که رکورد بهره از 34% تجاوز نکند.
از اين ليزرها در علم و صنعت ، مانند فعل و انفعالات مواد ميکرو ليتوگرافي ، جداسازي ايزوتوپها ، کاربردهاي شيميايي ، گرمايش پلاسما و ... استفاده مي‌شود.
منبع: http://atwis.com
/س