Lasery na volných elektronech

Lasery na volných elektronech mají tento zvláštní název proto, že stejně jako tradiční lasery produkují intenzivní svazek koherentního elektromagnetického záření, místo stimulované emise z atomů nebo molekul se zde ale produkuje světlo ze svazku volných elektronů. Je-li elektron urychlován nebo zpomalován, produkuje synchrotronové záření, to je netepelné záření, které vyzařují velmi rychlé elektrony v magnetickém poli.

Elektronový svazek v tomto laseru prochází periodickým magnetem, který se nazývá undulátor nebo zvlňovač. Elektrony se při průchodu zařízením pohybují ze strany na stranu jako při slalomu, dochází k urychlení a k emitování synchrotronového záření. Jednotlivé výrony záření vytvářejí velmi intenzivní svazek rentgenového záření, i když tento proces je do určité míry náhodný a výsledné záření není monochromatické. Proto musí být svazek elektronů maximálně monoenergetický, s malým příčným průřezem a velkou hustotou. Po několika metrech průchodu undulátorem se bude záření z takového svazku kumulovat, nebude docházet k rozptylu ani k vzájemnému rušení. Zbývá pomocí vhodného magnetu odsát původní elektrony a zbude koherentní svazek zesíleného záření. Vlnová délka svazku se dá řídit jednoduše nastavením energie elektronového svazku.

Urychlovač částic v CERN|foto: American Institute of Physic

Idea laseru na volných elektronech byla známá již v polovině osmdesátých let, ale její realizace vyžaduje velmi výkonný lineární urychlovač. Tehdy existovalo pouze jedno zařízení, 3km urychlovač SLAC ve Stanfordu. V současnosti vycházejí nejintenzivnější svazky X-paprsků přibližně z padesáti experimentálních zařízení po celém světě. Využívá je k nejrůznějším experimentům několik tisíc vědců, včetně chemiků, biologů, a dokonce i historiků umění a archeologů.