LASERY NA SWOBODNYCH ELEKTRONACH

Transkrypt

1 LASERY NA SWOBODNYCH ELEKTRONACH Autorzy: Mateusz Kubiak, IS IV Mariusz Nowaczyk, IS IV Arkadiusz Robiński, IS IV Krzysztof Konwisarz, IS IV 1. Co to jest laser? Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania) to urządzenie wzmacniające, a w zasadzie emitujące światło. 2. Prekursorem laserów był maser, który różnił się od lasera w zasadzie tylko częstotliwością emitowanego promieniowania (którą określa pierwsza litera skrótu microwave mikrofale). Pierwszy laser powstał w 1960 roku był to laser rubinowy. Został stworzony przez amerykańskiego fizyka Theodora Harolda Maimana. W 1963 r. w Wojskowej Akademii Technicznej wybudowano pierwszy polski laser (gazowy helowo neonowy). Promieniowanie laserowe ma znacząco inne właściwości niż fale świetlne emitowane przez klasyczne 1

2 źródła (np. żarówka). Jest spójne, o dużej gęstości mocy, wąskim paśmie spektralnym oraz równoległych wiązkach. Laser jest zasadniczo zbudowany z trzech elementów : ośrodka czynnego, układu pompującego oraz rezonatora optycznego. Aby nastąpiła emisja światła na zewnątrz lasera musi zajść tzw. akcja laserowa. Wymusza ją emisja spontaniczna lub doprowadzenie fotonu inicjującego do ośrodka czynnego. Rozpoczęcie akcji laserowej musi być poprzedzone osiągnięciem wzmocnienia w ośrodku czynnym o wartości równej warunkowi progowemu : gdzie : αl - straty wewnętrzne (poza absorpcją), L długość rezonatora optycznego, R1,R2 współczynniki odbicia dwóch luster znajdujących się na końcu rezonatora. Warunek określa, że wzmocnienie musi zrównoważyć straty promieniowania w rezonatorze oraz straty przez emisję na zewnątrz rezonatora. Laser kontynuuje swoje działanie jeśli w ośrodku czynnym jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Jest to sytuacja nienaturalna, którą ośrodek stara się zniwelować. Aby się tak nie stało potrzebny jest układ pompujący, który utrzymuje jak największą liczbę atomów w ośrodku czynnym w stanie wzbudzonym. Może to robić na kilka sposobów m.in. poprzez: błysk flesza, przepływ prądu w gazie, reakcję chemiczną itd. Pompowanie może się również odbywać za pomocą drugiego lasera. Ostatnim ważnym elementem w laserze jest rezonator optyczny. Jest to zazwyczaj układ dwóch zwierciadeł, z których jedno częściowo przepuszcza wiązkę światła. Zadaniem tego elementu jest wprowadzenie do układu lasera pętli sprzężenia zwrotnego. Umożliwia ona uzyskanie zjawiska rezonansu dla wybranych częstotliwości i kierunków fali emitowanej przez ośrodek czynny. Dzięki temu wiązka wydostająca się z lasera jest spójna i cechuje ją wąski zakres widma częstotliwości. W normalnych warunkach fali światła emitowanej przez laser nie widać. Wiązka staje się widoczna jeśli biegnie przez substancję zbudowaną z większych cząstek ponieważ następuje rozpraszanie Miego na tych cząstkach. 2

3 3. Rodzaje laserów Klasyfikując lasery można uwzględnić ich budowę, a w szczególności substancję z jakiej zbudowany jest ośrodek czynny, zastosowanie, jak również zjawiska zachodzące w danym typie laserów. Zasadniczo lasery dzielimy na: Lasery gazowe Ośrodkiem czynnym jest substancja gazowa. Są to najtańsze i najbardziej powszechne urządzenia tego typu. Przykłady : helowo neonowy, na dwutlenku węgla, kryptonowy, argonowy Lasery na ciele stałym Historycznie najstarszy typ laserów. Substancja czynna o budowie krystalicznej bądź amorficznej. Szacuje się, że ok. 300 kryształów i szkieł ma odpowiednie właściwości aby zostać użyte w laserach na ciele stałym. Ten typ można jeszcze podzielić na podtypy: lasery na jonach paramagnetycznych (np. rubinowe, neodymowe, tytanowo-szafirowe) lasery na centrach barwnych - na cieczach zawierających barwnik organiczny lasery półprzewodnikowe (złączowe i bezzłączowe) - cechuje ten typ mały rozmiar, łatwość sterowania prądem i dość wysokie moce; stosowane w fotonice Lasery molekularne Ośrodek czynny tworzy mieszanina CO2 oraz azotu, wodoru i helu. 3. Lasery na elektronach swobodnych Laser na swobodnych elektronach - zjawiska fizyczne i działanie. W laserze na swobodnych elektronach (FEL od Free Electron Laser), jak nazwa wskazuje, elektrony nie są związane z atomami. Przyspieszane do prędkości 3

4 zbliżonych do prędkości światła w synchrotronach lub akceleratorach liniowych osiągają ogromne energie. Następnie emitowane w krótkich wiązkach kierowane są do undulatora - najważniejszego elementu lasera. Urządzenie to (na rysunku) składa się z dwóch ścian, w których naprzemiennie ułożono magnesy o przeciwnych biegunach w ten sposób, że domeny magnesów naprzeciwległych układają się w tym samym kierunku. Elektron, który znajdzie się pomiędzy ściankami jest spychany przez kolejne pary magnesów na zmianę w jedną i drugą stronę, w kierunku prostopadłym do kierunku poruszania się. Tor, po jakim przechodzi elektron jest falisty, zbliżony do sinusoidy. Przyciągana siłami będącymi wektorami o tym samym kierunku ale przeciwnych zwrotach cząstka nieustannie jest przyspieszana i wyhamowywana. Zgodnie więc z zasadami klasycznej elektrodynamiki w takiej sytuacji powstaje promieniowanie hamowania, które emitowane jest stożkowo w kierunku ruchu elektronów. Kąt rozwarcia stożka jest odwrotnie proporcjonalny do czynnika Powstałe promieniowanie porusza się szybciej - z prędkością światła. Wyprzedzając cząstkę będącą jego źródłem wchodzi w interakcję z elektronami, które wyprzedza. Jako, że elektrony także nie rozchodzą się po linii prostej, a rozbiegają się podobnie stożkowo, promieniowanie padające nań może znajdować się w fazie lub przeciwfazie - jest dodatkowo przyspieszany lub spowalniany w kierunku prostopadłym do pierwotnego kierunku wpadającej wiązki. Dlatego też elektrony płynące przez undulator zagęszczają się w punktach odległych od siebie o jedną długość fali (ich faza różni się o 2π). 4

5 Zjawisko to nasila się wraz z długością undulatora. Poruszające się wciąż po sinusoidzie zagęszczenia elektronów wciąż są przyspieszane i spowalniane przez pole magnetyczne undulatora. W związku z tym emitują promieniowanie hamowania. Jeśli elektron je emitujący drga w fazie z falą nań padającą, promieniowanie emitowane jest w fazie z tym wywodzącym się od elektronów z tyłu. Skutkiem tego jest wzmocnienie fali elektromagnetycznej. Natomiast elektrony, które nie drgają w fazie z okolicznymi są do tego zmuszane - przyspieszane lub zwalniane przez obecne promieniowanie nasilając zjawisko. Proces ten nazywamy samo-wzmacniającą się emisją spontaniczną (SASE). Dzięki niemu wiązka promieniowania otrzymywana na wyjściu jest bardzo intensywna i o wysokiej częstotliwości (lasery na wolnych elektronach są często wykorzystywane do otrzymywania promieniowania rentgenowskiego). Manipulując parametrami wiązki wchodzącej oraz undulatora możemy jednak uzyskać promieniowanie z zakresu mikrofal czy światła widzialnego. Poniższy wykres obrazuje potencjał drzemiący w laserach na swobodnych elektronach. 5

6 Mniej wydajnymi od undulatorów urządzeniami wytwarzającymi promieniowanie (insertion device) są wigglery. W przeciwieństwie do undulatorów okres i natężenie pola magnetycznego przez nie wytwarzanego nie jest dopasowany do częstości promieniowania wytwarzanego przez elektrony. Skutkiem tego jest słabsze otrzymywane przez laser promieniowanie o znacznie szerszym spektrum. Cały układ lasera może wyglądać jak na powyższym rysunku. Oprócz undulatora widzimy tu jak przy pomocy magnesów doprowadzane i odprowadzane są elektrony. Jedynym elementem przypominającym w konstrukcji FEL o zwyczajnych laserach są lustra - przynajmniej jedno z nich jest półprzepuszczalne tak, aby promieniowanie mogło wydobywać się z urządzenia. 6

7 4. Laser na wolnych elektronach - zastosowania Lasery na wolnych elektronach pozwalają nam na generowanie koherentnej wiązki promieniowania, które charakteryzuje się tym, że jesteśmy w stanie regulować długość fali od fal milimetrowych do promieniowania rentgenowskiego. Skonstruowanie takich urządzeń daje naukowcom nieprawdopodobne możliwości. Otwiera się przed nimi zupełnie nowy obszar badań. Jednym z głównych powodów, dającym tak duże możliwości jest to, iż intensywność i jakość promieniowania wytwarzanego przez FEL przewyższa tysiące razy obecne źródła promieniowania (czasem jesteśmy w stanie uzyskać promieniowanie o zakresie dotychczas niedostępnym, np. zakres terahercowy). W fizyce, chemii, biologii, materiałoznawstwie, badaniach środowiska i medycynie lasery na swobodnych elektronach pozwolą na nowe spojrzenie do wnętrza żywych komórek, molekuł i materiałów, umożliwią badanie ich struktur oraz zachodzących tam reakcji. Niestety niemożliwością jest stworzyć kompleteny opis możliwości laserów na wolnych elektronach. Urządzenie to ma tak wielki potencjał, że zmuszeni jesteśmy do nakreślenia jedynie zarysu jego możliwości. Najważniejsze zastosowania to: badanie podstawowe w zakresie nauk fizycznych: dzięki badaniu rozproszenia Comptonowskiego na protonach i neutronach jesteśmy w stanie określić elektryczną i magnetyczną polaryzowalność nukleonów badania półprzewodników i struktur kwantowych: lasery na swobodnych elektronach umożliwiają wytwarzanie promieniowania o zakresie długości fali charakterystycznych dla wzbudzeń w półprzewodnikach i półprzewodnikowych strukturach kwantowych takich jak: fonony, plazmony, energie wiązania atomów domieszek czy poziomy energetyczne w studniach, kropkach czy drutach kwantowych. FEL można użyć do badania takich struktur. Dzięki bardzo wysokiej gęstości energii możemy obserwować i analizować procesy nieliniowe. 7

8 technika spektroskopowa - metoda pompowania i analizy: metoda ta charakteryzuje się tym, iż jeden impuls energii służy do wzbudzenia a drugi, który jest opóźniony w stosunku do pierwszego, do analizy efektów wywołanych przez wzbudzenie. Użycie jako jednego z źródła lasera na swobodnych elektronach umożliwia precyzyjny dobór energii impulsu wzbudzającego lub analizującego. Popularne zastosowania tej techniki: Badania dynamiki nośników w supersieciach. Spodziewane jest wyjaśnienie oddziaływań wewnątrzpasmowych np. w celu budowy wydajnych laserów kaskadowych. Zagadnienia absorpcji w studniach kwantowych i supersieciach. Problem szerokości linii emisyjnych i dyspersji. Własności optyczne w zakresie podczerwieni i zakresie THz takich struktur kwantowych jak oscylatory Blocha i kwantowe lasery kaskadowe. Koherentne efekty rezonansowe. Intensywne impulsy laserowe mogą prowadzić do takich zjawisk jak oscylacje Rabiego. Wzbudzenie koherentne. Ultrakrótkie impulsy w podczerwieni mogą wpływać na dynamikę elektronów. promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie teraherców: dzięki laserom na swobodnych elektronach jesteśmy w stanie lepiej poznać promieniowanie w zakresie teraherców. Pozwala ono na bezpośrednią analizę amplitudy i fazy promieniowania, a więc składowej rzeczywistej i urojonej, bez konieczności posiłkowania się wzorami Kramersa-Kroniga. Analiza taka jest możliwa dzięki temu, że, w odróżnieniu od spektroskopii optycznej, w zakresie tym możliwy jest bezpośredni pomiar zależności czasowych dla pola elektrycznego. Zakres terahercowy jest typowy dla częstotliwości drgań cząsteczek cieczy i wielu molekuł, promieniowanie to może zatem służyć do identyfikacji związków chemicznych. Z tego względu zakres ten jest przedmiotem dużego zainteresowania służb specjalnych, terahercowa bramka na lotnisku mogłaby teoretycznie 8

9 pozwolić na identyfikację nawet śladowych ilości substancji chemicznych wnoszonych przez człowieka na pokład samolotu. spektroskopia fototermiczna (PTBD): Podstawowym zagadnieniem ekologii jest problem precyzyjnych pomiarów zanieczyszczeń w środowisku naturalnym. Typowym przykładem są np. zanieczyszczenia związane z obecnością metali ciężkich, takich jak ołów, kadm czy też izotopy radioaktywne, które mogą pochodzić bądź to ze źródeł naturalnych lub zostać uwolnione w wyniku awarii reaktora jądrowego. Niestety, spektroskopia w podczerwieni często okazuje się niewystarczająca. Spektroskopia fototermiczna umożliwia detekcję bardzo małych koncentracji domieszek, na poziomie Połączenie metody PTBD z laserem na swobodnych elektronach jako źródłem wzbudzenia stanowi potężne narzędzie badawcze w naukach o środowisku. Szeroki zakres długości fali wzbudzenia i jej impulsowy charakter stanowią optymalną kombinację dla badania absorpcji zanieczyszczeń w środowisku naturalnym. mikroskopia i spektroskopia przykrawędziowa: Mikroskopia przykrawędziowa umożliwia charakteryzację struktur z rozdzielczością lepszą niż wynika to z długości fali użytego promieniowania. Technika ta wykorzystuje obecnie lasery podczerwone (np. na CO2). W połączeniu ze strojonym laserem na swobodnych elektronach, umożliwi analizę częstotliwości drgań molekularnych w próbkach biologicznych z submikronową rozdzielczością. spektroskopia molekuł biologicznych: Promieniowanie wytwarzane przez lasery na swobodnych elektronach stanowi potężne narzędzie badawcze dla nauk przyrodniczych. Pozwala ono na badanie i modyfikację molekuł. Wkrótce możliwe stanie się badanie rezonansowych wzbudzeń molekuł w proteinach, enzymach, jądrach komórkowych i membranach komórkowych. Impulsowy charakter promieniowania 9

10 pozwala na rejestrowanie zmian w układzie molekuł w trakcie ich modyfikacji, co można przyrównać do możliwości nakręcenie filmów przedstawiających przebieg procesów biologicznych, takich jak śmierć komórki, wychwyt fotonu przez chlorofil i wiele innych. badania atmosfery: dzięki wykorzystaniu lasera na swobodnych elektronach do budowy strojonego w szerokim zakresie częstotliwości lidara będzie możliwa detekcja i mapowanie w czasie rzeczywistym procesów zachodzących w atmosferze. zastosowania w naukach medycznych: pozwala na obrazowanie narządów wewnętrznych przy bardzo niskim ryzyku napromieniowania identyfikacja związków chemicznych i molekuł organicznych, co w połączeniu z wysoką przenikalnością tego promieniowania przez tkankę żywą otwiera niesamowite wprost możliwości diagnostyczne pozwala również na stosowanie nowoczesnych metod terapii o minimalnym stopniu inwazyjności, jak aktywacja specyficznych związków chemicznych, tzw. nanoplatform, wprowadzonych do określonych tkanek, np. do guzów nowotworowych - metoda ta mogłaby również posłużyć do wysokorozdzielczego obrazowania tkanek dostrojenie długości fali promieniowania tak, aby uzyskać selektywne, bezpośrednie niszczenie chorych komórek przy minimalnym uszkodzeniu otaczającej, zdrowej tkanki. Prowadzone są np. prace nad zastosowaniem lasera na swobodnych elektronach do chirurgii otolaryngologicznej. Nawet nieznaczne uszkodzenia strun głosowych mogą prowadzić do nieodwracalnej utraty głosu, chirurgia laserowa oparta na FEL minimalizuje to ryzyko a nawet umożliwi usunięcie uszkodzeń (np. blizn) powstałych w wyniku operacji. 10

11 5. Własności laserów na wolnych elektronach Możliwość regulacji. Sposób działania lasera FEL może być zmieniany poprzez regulowanie energii strumienia elektronów oraz siły pola magnetycznego w undulatorze. Sprawia to, że parametry lasera są często dostosowywane do potrzeb naukowców. Korzystając z tego samego akceleratora i undulatora można, poprzez zmianę tych parametrów, zwiększyć częstotliwość generowanego promieniowania nawet 10-krotnie. Bardzo wysokie natężenie w maksimum impulsu (rzędu gigawatów) otwiera nowe obszary badań optyczne procesy nieliniowe dla bardzo krótkich fal oraz spektroskopię i obrazowanie z wykorzystaniem spójnego promieniowania rentgenowskiego. Elastyczna struktura impulsu. Ponieważ struktura impulsu promieniowania zależy od struktury impulsu strumienia elektronów, zaawansowana technologia akceleratorów liniowych może zostać użyta do manipulowania i kontrolowania struktury impulsu laserowego. Możliwe jest uzyskiwanie impulsów rzędu pikosekund z sub-pikosekundowymi wahaniami (jitter), regulowanie odległości między impulsami albo wytwarzanie skomplikowanych struktur impulsów. Dobre charakterystyki promieniowania. W laserach na wolnych elektronach łatwo można uzyskać pożądane własności charakterystyczne dla tradycyjnych laserów, takie jak wysoka spójność wiązki w czasie i przestrzeni czy własność polaryzacji. Szeroki zakres długości fali. Możliwe jest uzyskanie długości fali od zakresu ultrafioletu próżniowego (VUV) do obszaru promieniowania rentgenowskiego. Najmniejsza długość fali, jaką udało się uzyskać, to 190 nm. Projekt POLFEL Budowa nowoczesnego lasera na swobodnych elektronach jest planowana w Świerku (niedaleko Otwocka) przy Instytucie Problemów Jądrowych / Centrum 11

12 Atomistyki im. Andrzeja Sołtana. Według wstępnego projektu, laser będzie wykorzystywać ciągłą wiązkę elektronową o energii 600 MeV, pochodzącą z nadprzewodzącego liniowego akceleratora elektronów. Maksymalna moc wiązki generowanego światła w impulsie będzie wynosić 0,22 GW. Podstawowa długość fali promieniowania to 27 nm. Przewiduje się, że budowa lasera będzie kosztować od 100 milionów euro (FEL i jedna stacja badawcza) do 200 milionów euro (FEL i 6 stacji badawczych). Podjęcie prac nad budową lasera na swobodnych elektronach umożliwiłoby nie tylko udostępnienie polskim naukowcom nowoczesnego urządzenia, które może być wykorzystywane w wielu dziedzinach nauki i techniki ale także pozwoliłoby na włączenie się w programy europejskie. - czytamy na stronie polfel.pl. Celem projektu jest utworzenie unikalnego urządzenia badawczego dla polskiej nauki i przemysłu, a wokół niego również bazy badawczej i szkoleniowej dla badań materiałowych, środowiskowych, medycznych i biologicznych oraz poligonu szkoleniowego dla technologii akceleratorowych, laserowych i detekcyjnych. POLFEL ma obsługiwać trzy grupy zadań: udoskonalanie lasera, badania naukowe i badania przemysłowe. Praca w modzie ciągłym umożliwia zasilenie kilku linii eksperymentalnych z wystarczającą intensywnością. Planowana jest budowa sześciu linii o różnym przeznaczeniu: Udoskonalanie lasera 1 linia, finansowana z budżetu POLFEL Badania naukowe 2 linie, finansowane z grantów badawczych Badania przemysłowe 3 linie, udostępniane na zasadach komercyjnych. 12

13 Przewiduje się, że każda z linii obsłuży około 25 użytkowników rocznie, dostarczając co najmniej 100 ośmiogodzinnych cykli eksperymentalnych w ciągu roku. W celu zminimalizowania kosztów, przy budowie POLFELa zostanie wykorzystana technologia opracowana już (przy udziale polskich specjalistów) dla lasera XFEL w DESY (Hamburg). LITERATURA: "Free Electron Lasers And Other Advanced Sources Of Light", Praca zbiorowa, National Academy Press, Washington, D.C.,