Rozwój laserów na swobodnych elektronach w Europie 2016

DOI: 10.15199/13.2016.3.4 Rozwój laserów na swobodnych elektronach w Europie 2016 (Development of free electron lasers in Europe 2016) prof. dr hab. inż. Ryszard S. Romaniuk Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych, WEiTI Streszczenie Lasery na swobodnych elektronach (Free Electron Lasers FEL) powstają w Europie albo jako infrastruktury samodzielne albo jako rozwinięcie infrastruktur synchrotronowych. Na ogół jednak powstają w ośrodkach posiadających znaczne doświadczenie z synchrotronowymi źródłami światła trzeciej generacji, jak np. DESY, Trieste, INFN, itp. Postępy w budowie bardzo wydajnych energetycznie nadprzewodzących akceleratorów elektronowych, np. typu TESLA, spowodowały gwałtowny rozwój maszyn FEL, generujących wiązkę światła o wielkiej intensywności, wysokiej jakości w zakresie podczerwonym, widzialnym, UV, EUV, oraz RTG. W budowie niektórych z opisanych Europejskich infrastruktur FEL biorą aktywnie udział młodzi uczeni z Polski. Szczególnie duży udział studentów i doktorantów z WEiTI Politechniki Warszawskiej był przy budowie maszyny FEL, FLASH I, FLASH II, a ostatnio EXFEL. Doświadczenia zgromadzone w pracy przy budowie tak wielkich eksperymentów pozwalają na rozwój takich grup i angażowanie w nowe inicjatywy laserowe, laserowo akceleratorowe, inercyjne, plazmowe, plazmowo energetyczne, itp. I tak właśnie się dzieje. Niestety ze względu na brak w kraju dużej własnej infrastruktury badawczej, nie jesteśmy członkiem klubów właścicieli, i nasi uczeni mogą brać udział w pracach takich klubów pośrednio, jako członkowie grup zagranicznych. Ograniczony jest także dostęp do niektórych rodzajów Europejskich infrastrukturalnych projektów rozwojowych. Słowa kluczowe: technika laserowa, lasery, lasery na swobodnych elektronach, fotonika, promieniowanie EUV, promieniowanie rentgenowskie, infrastruktury badawcze Abstract Free electron laser FELs are built in Europe mainly as nondependent infrastructures, or as a development of synchrotron ones. They are constructed mainly in centers which have considerable experience with synchrotron light sources of the third generation like DESY, Trieste, INFH, etc. Advances in very energetically efficient superconducting linear accelerators for electron beams, like TESLA type, caused an abrupt development of FEL machines all over Europe. New generation of FELs emits light beam of extreme intensity, good parameters, in IR, VIS, UV, EUV and RTG spectral regions. The machine construction teams comprise also of young active researchers from Poland. In particular, these is a considerable participation of M.Sc. and Ph.D. students from Warsaw University of Technology at building of FLASH I, FLASH II, and EXFEL machines. Unique experiences gathered at work with these large experiments result in development of these young teams, and their further engagement in new initiatives: laser, laser accelerator, inertial, plasma, plasma energy, etc. This is what we observe with satisfaction. However, due to the lack of large research infrastructures in Poland, we are not members of the infrastructure owner clubs. Our young researchers may take part in the initiatives only indirectly as members of cooperative teams from the leading countries. As a further consequence, there is also a confined access of Polish laser and accelerator researchers to some kinds of European infrastructure development projects now under realization within the H2020. Keywords: laser technology, laser development, lasers, free electron lasers, photonics, EUV radiation, RTG radiation, research infrastructures Idea wykorzystania, przechodzącej przez zakrzywiony magnes a potem wiggler, wiązki relatywistycznych elektronów, do generacji koherentnego promieniowania EM w zakresie od IR do UV była prezentowana w literaturze w latach 50 [1]. Lampa mikrofalowa wczesny prekursor FEL o nazwie Ubitron została skonstruowana w latach 60. Pierwsze podstawowe prace teoretyczne nad FEL prowadzono w latach 60 i 70. Pierwsze prekursory lasera FEL uruchomiono w 1971 dla długości fali 10 µm [2] oraz w 1977 [3]. Teorię samowzmacniającej się emisji spontanicznej SASE działania lasera FEL opracowano w połowie lat 80 [4-5]. Pierwsze rozwiązania lasera bazowały na pierścieniu akumulacyjnym typowym dla synchrotronu, a więc z wiązką o relatywnie małym natężeniu i słabej koherencji. Stosowany był prostoliniowy bajpas pierścienia gdzie wstawiano wiggler (w układzie magnetycznej matrycy Halbacha), a następnie undulator. Pole optyczne było wzmacniane we wnęce rezonansowej analogicznej do laserów optycznych. Zwiększanie energii wiązki elektronowej i skracanie długości fali optycznej napotkało na brak dobrych zwierciadeł dla krótkich fal poniżej kilkudziesięciu nm (nawet stosując technikę grazing incidence reflection i wnęki pierścieniowe). Alternatywą było całkowite usunięcie wnęki rezonansowej. Podsumowanie tych pierwszych prac można znaleźć np. w artykule [6]. Dopiero postępy w budowie akceleratorów liniowych i dział elektronowych z fotokatodą RF (pobudzaną laserem) oraz ultra-precyzyjnych długich undulatorów pozwoliły na uzyskanie znacznie większych natężeń wiązki elektronowej i fotonowej, podczas jednokrotnego przejścia impulsu. Fotokatodowe działo elektronowe dostarczyło krótkie pikosekundowe impulsy o znacznym ładunku powyżej 1 nc i znormalizowanej emitancji rzędu kilku mm-mrad. Początkowe rozwiązania dały wiązkę w obszarze IR. FEL w zakresie widzialnym (390 nm) uruchomiono po raz pierwszy w laboratorium ANL [7] w 2001, a zaraz potem w DESY w zakresie VUV (98nm) w 2002 [8]. Źródła laserowe z akceleratorami liniowymi okazały się zupełnie odmienne od poprzednich rozwiązań prowadząc do wiązek o niespotykanych poprzednio parametrach, natężenia, spójności, jakości, długości fali, czasu trwania impulsów [9 18]. Nazwano je źródłami światła czwartej generacji. Dzisiaj mówimy już o narodzinach przyszłych źródeł światła piątej generacji którymi mają być kompaktowe attosekundowe, ultra jasne, kwantowe lasery FEL ze zintegrowanymi w technologii mikrosystemów MEMS nadprzewodzącymi undulatorami, fotonicznymi falowodami, zasilane nowymi niskoładunkowymi (pc) plazmowo-laserowymi lub fotonicznymi metodami akceleracji elektronów. 16 Elektronika 3/2016

Lasery FEL na świecie i w Europie Lasery na swobodnych elektronach (Free Electron Lasers FEL) powstają na świecie i w Europie albo jako infrastruktury samodzielne albo jako rozwinięcie infrastruktur synchrotronowych. Na ogół jednak powstają w ośrodkach posiadających znaczne doświadczenie z synchrotronowymi źródłami światła trzeciej generacji, jak np. DESY, Trieste, INFN, PSI, itp. [19]. Postępy w budowie bardzo wydajnych energetycznie nadprzewodzących akceleratorów elektronowych, np. typu TESLA, spowodowały gwałtowny rozwój maszyn FEL, generujących wiązkę światła o wielkiej intensywności, wysokiej jakości w zakresie podczerwonym, widzialnym, UV, EUV, oraz RTG. Intensywność szczytowa wiązki FEL jest wiele rzędów wielkości większa od intensywności wiązki synchrotronowej i wynosi dla EXFEL 5 10 33 [fot/s/mm 2 /mrad 2 /0,1% BW], a średnia o ponad 4 rzędy wielkości (10 25 ). W początkowym okresie rozwoju FEL dla obszaru spektralnego EUV i krótszych fal z liniakiem elektronowym była mała częstotliwość repetycji impulsów. Wynikała ona z ograniczeń iniektora, ciepłego akceleratora i charakterystyk klistronów wielkiej mocy (obecnie megawatowych). Budowany laser EXFEL z liniakiem nadprzewodzącym będzie miał maksymalną częstotliwość repetycji impulsów rentgenowskich 27 khz. Przyszłe infrastruktury FEL, obecnie czwartej a następnie być może piątej generacji, staną się prawdopodobnie głównymi przestrajanymi źródłami intensywnych, koherentnych wiązek fotonów, od podczerwieni do twardego promieniowania X, o niespotykanej obecnie rozdzielczości czasowej i spektralnej. Wadą obecnych infrastruktur FEL czwartej generacji jest ich bardzo wysoki koszt i znaczne rozmiary oraz utrudniony dostęp do czasu wiązki. Obecnie działające lub uruchamiane główne infrastruktury FEL czwartej generacji na świecie są następujące: FLASH (2005, DESY) [flash.desy.de], EXFEL (2016 DESY) [xfel.eu], FERMI (2010 INFN) [elettra.trieste.it/lightsources/fermi.html], SwissFEL (PSI 2017) [psi.ch/swissfel], SACLA XFEL (2012 RIKEN) [xfel.riken.jp]; PAL-XFEL (2015 Pohang) [pal.postech. ac.kr/paleng/], LCLS-LCLSII (2009, 2017 SLAC) [lcls.slac. stanford.edu]. Oprócz tego działają lub są budowane w Europie liczne większe i mniejsze urządzenia badawcze FEL w poszczególnych laboratoriach krajowych. Budowane są całe infrastruktury laserów lub testowane ich części np. iniektory, undulatory nowej generacji, itp. Warto tutaj wymienić: FLARE (Nijmegen, Holandia); CLIO LCP (Orsay, Francja); ELBE FEL HZDR (Niemcy); ENEA Compact FEL (Frascati, Włochy); SPARC FEL Frascati INFN; FHI FEL (Fritz-Haber Institute, Niemcy); FELIX FOM (Rijnhuizen, Holandia); IR -FEL S-DALINAC (Darmstadt Niemcy); NovoFEL Budker Institute (Rosja); Tel Aviv University FEL (Izrael), University of Twente Cerenkov FEL (Holanida), i inne. W budowie niektórych z opisanych Europejskich infrastruktur FEL biorą aktywnie udział młodzi uczeni z Polski. Szczególnie duży udział studentów i doktorantów z WEiTI Politechniki Warszawskiej był przy budowie maszyny FEL, FLASH I, FLA- SH II, a ostatnio EXFEL. Doświadczenia zgromadzone w pracy przy budowie tak wielkich eksperymentów pozwalają na rozwój takich grup i angażowanie w nowe inicjatywy laserowe, laserowo akceleratorowe, inercyjne, plazmowe, plazmowo energetyczne, itp. I tak właśnie się dzieje. Niestety ze względu na brak w kraju dużej własnej infrastruktury badawczej, nie jesteśmy członkiem klubów właścicieli, i nasi uczeni mogą brać udział w pracach takich klubów pośrednio, jako członkowie grup zagranicznych. Ograniczony jest także dostęp do niektórych rodzajów Europejskich infrastrukturalnych projektów rozwojowych. Mimo to krajowe środowisko stara się aktywnie uczestniczyć w inicjatywach europejskich poprzez stosowne zaangażowanie instytucjonalne a także stypendia młodzieżowe. Lasery FEL w Europie rozwijają się jako indywidualne inicjatywy dużych laboratoriów. Oprócz tego inicjowane są konsorcja, kolaboracje, programy badawcze, projekty infrastrukturalne, sieci synergetyczne, szkolenia użytkowników, szkolenia budowniczych maszyn, itp. Inicjatorem wielu akcji dotyczących laserów FEL jest Naukowe Centrum FEL zlokalizowane w DESY. Inicjatorami są także europejskie sieci naukowe IRVUX FEL, LaserLab-Europe, FELs of Europe, EuroFEL, European XFEL. W szczególności inicjatywy dotyczą powoływania wspólnych projektów badawczych pod parasolem EU, poprzednio w ramach infrastruktur FP6 i FP7 a obecnie H2020. Europejskie środowisko dużych infrastruktur laserowych i laserowo akceleratorowych jest bardzo aktywne i dba efektywnie o swoje interesy. W środowisku tym realizowanych jest obecnie wiele projektów finansowanych z różnych źródeł: instytucjonalnych, krajowych, międzynarodowych, multilateralnych, oraz Europejskich H2020. W wielu z tych inicjatyw bierzemy jako kraj udział jedynie marginalny, albo w ogóle, z powodu braku infrastruktur badawczych. Może ktoś się wreszcie obudzi i przerwie zaklęty krąg marginalizacji nauki w kraju. Ambicje odkrywcze o wielkiej skali, zapalające młodzież naukową jednakowo na całym świecie, nasza młodzież może realizować jedynie za granicą. W kraju powinna powstać duża infrastruktura badawcza klasy Europejskiej przyciągająca młodych uczonych. Wielka infrastruktura laserowa, klasy odkrywczej, taka jak np. LCLS czy EXFEL posiada znaczny wpływ na całe środowisko światowe [22,23]. Europejskie Konsorcja Laserowe FEL EUCALL Europejski Klaster Zaawansowanych Źródeł Światła Laserowego EUCALL [www.eucall.eu] jest działaniem sieciowym finansowanym przez Program H2020 w okresie 2015 2018, grupującym właścicieli i kluczowych użytkowników wiodących wielkoskalowych użytkowych infrastruktur FEL, synchrotronowych i laserowych EXFEL, DESY, Elettra, ELI, ESRF, HZDR, Lund University, PSI, oraz dwie sieci LaserLab -Europe i FELs of Europe. Europejski Klaster Zaawansowanych Źródeł Światła EUCALL został zainicjowany w DESY w październiku 2015 r. Celem EUCALL jest współdziałanie uczestników projektu na rzecz wypracowania wspólnych metodologii badawczych, poszukiwania wspólnych możliwości odkrywczych, rozwoju narzędzi utrzymujących dalszą współpracę wielkich infrastruktur w przyszłości. Z żalem i niepokojem należy stwierdzić że Polska nie jest członkiem EUCALL, co jest zapewne konsekwencją (między innymi) braku naszego bezpośredniego zaangażowania, jakiś czas temu, w inicjatywę ELI. Pakiety robocze EUCALL dotyczą znacznego wzmocnienia współpracy pomiędzy infrastrukturami europejskimi. W ramach Eucall organizowane są grupy robocze i konsorcja użytkowników infrastruktur FEL. Grupa robocza SIMEX rozwija i implementuje platformę symulacyjną dla użytkowników i operatorów infrastruktury w celu umożliwienia pełnej symulacji każdego eksperymentu z różnymi źródłami światła. Symulacje śledzą fotony od źródła, przez optykę oraz region interakcji do detektora. Badane próbki obejmują takie obiekty jak słabo rozpraszające biomolekuły, silnie energetyczne oddziaływanie promieniowania z materią związane z modulacją gęstości materii, a także dynamiczną kompresję materii do poziomów rdzeni planetarnych. Grupa robocza (WP) UFDAC rozwija technologie sprzętowe i programistyczne ultraszybkiej akwizycji danych on-line. Dane obejmują przetwarzanie obrazów on-line, transfer i iniekcję danych, przetwarzanie i cyfryzację danych dla eksperymentów laserowych z szybkim powtarzaniem impulsów i ultrakrótkimi impulsami. HIREP rozwija wspólne znormalizowane technologie szybkiego do- Elektronika 3/2016 17

starczania, wymiany i usuwania próbek z obszaru oddziaływania, oraz szybkiej, zdecentralizowanej charakteryzacji próbek. HIREP ma znacznie zwiększyć dostęp użytkownikom do efektywnego czasu oddziaływania, poprzez całkowitą zmianę techniki operowania próbkami. PUCCA rozwija technologie kontroli i charakteryzacji indywidualnych rentgenowskich impulsów laserowych. PUCCA opracowuje wysokorozdzielcze femtosekundowe metody charakteryzacji indywidualnej każdego impulsu z osobna, tak aby nie zmieniać ich parametrów. Wykorzystuje monitory PAM czasu przyjścia impulsu, BPM pozycji wiązki, czujniki frontu falowego, przezroczyste monitory intensywności, oraz oprogramowanie analityczne. WP Synergia poszukuje nowych możliwości badawczych w zakresie zaawansowanych technik laserowych, szczególnie dotyczących eksperymentów użytkowych. EuroFEL, European XFEL Konsorcjum European XFEL powstało w 2012 r. jako porozumienie wspierające badania w obszarze maszyn XFEL i budowę infrastruktur FEL w Europie [eurofel.org], [eurofel.eu]. Powstanie konsorcjum zostało wsparte projektem Europejskim o charakterze fazy przygotowawczej IRVUX-PP [irvux.eu]. Pod tą samą nazwą realizowano koordynowany przez DESY projekt Europejski typu studium projektowe zakończony w 2007 r. Z Polski członkiem konsorcjum European XFEL jest NCBJ. Wielką zaletą członkostwa w tej organizacji dla instytucji z Polski jest możliwość uczestnictwa w innych inicjatywach Europejskich mimo braku w kraju aktywnej infrastruktury FEL. UMBRELLA Konsorcjum Umbrella zostało podpisane w sierpniu 2015 r. przez właścicieli infrastruktur źródeł światła i neutronowych: ALBA, DESY, Diamond Light Source, Elettra, EMBL Heidelberg, ESRF, EXFEL, HZB, ILL, IAS, KIT, PSI, STFC, SOLEIL. Umbrella jest pan-europejską zintegrowaną platformą IT obsługującą Europejskie wielkoskalowe infrastruktury badawcze. Umbrella zawiera bazę danych osób, zasobów, środków, metod badawczych, itp. Została zainicjowana przez projekt europejski IRVUX-PP. FELS of Europe Europejskie Lasery FEL FELS OF EU- ROPE jest inicjatywą projektów ESFRI takich jak EuroFEL i European XFEL [fels-of-europe.eu/]. Członkami są wszyscy właściciele infrastruktur FEL pracujących lub rozwijanych w Europie, partnerzy EXFEL i IRFEL, oraz Turecki projekt lasera FEL TARLA, w sumie 14 partnerów z 10 krajów, w tym Polska. Konsorcjum FELSoE zostało zawiązane jako trwała organizacja długoterminowej współpracy niezależnie od zewnętrznego finansowania przez programy Europejskie. Celem kolaboracji jest optymalizacja użycia Europejskich infrastruktur FEL i zasobów intelektualnych know-how w tym obszarze tak aby zwiększyć konkurencyjność Europy w technice laserowej zarówno pod względem badawczym jak i stosowanym oraz przemysłowym, zapewnić dostęp do infrastruktur laserowych przez znacznie większe środowiska badawcze. Konsorcjum FELS of Europe jest inicjatywą odnawiającą i integrującą poprzednie działania Europejskie w tym obszarze. Jest próbą objęcia dobrowolną koordynacją znacznie szerszego obszaru działań niż poprzednio oprócz badawczych i technicznych także kształcenia specjalistów i edukacyjnych, silnego wsparcia użytkowników, lobbystycznych i politycznych, popularyzacyjnych i interakcji ze społeczeństwem, zastosowań przemysłowych, biologicznych i medycznych. Konsorcja użytkowników laserów FEL przy wszystkich infrastrukturach laserowych FEL tworzone są czasami nawet dość formalne konsorcja użytkowników. Wynika to z faktu relatywnie dużej trudności z dostępem do wiązki laserowej. Dostęp jest reglamentowany różnymi metodami, albo poprzez kontrakt właścicielski stacji badawczych w hali eksperymentalnej, dedykowane granty, tworzenie tematycznych zespołów 18 badawczych, i inne. Każdy z laserów FEL posiada na ogół swoje tworzone wokół konkretnej infrastruktury zorganizowane grupy użytkowników. Takie konsorcja użytkowników zorganizowane wokół EXFEL wymieniono poniżej. FLASH Laser Flash ewoluował jako wynik rozwoju nadprzewodzącej technologii i infrastruktury TESLA w laboratorium DESY i eksperymentów Tesla Test Facility TTF. Następnie laser FLASH był pomyślany jako rozwiązanie pilotowe dla infrastruktury Europejskiego lasera rentgenowskiego na swobodnych elektronach - EXFEL. Wykonany został w skali ok. dziesięciokrotnie mniejszej niż EXFEL. FLASH generuje światło poprzecznie koherentne wykorzystując mechanizm SASE o podstawowej długości fali w zakresie 4 52 nm. Generuje także trzecią i piątą harmoniczną. Działa od roku 2005. Infrastruktura ma długość 260 m. Do roku 2009 był jedyną na świecie infrastrukturą FEL generującą falę EM w obszarze miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Ze względu na ogromne zainteresowanie użytkowników zbudowano później infrastrukturę uzupełniającą FLASH II z drugim undulatorem i osobną halą eksperymentalną. Średnia energia pojedynczego impulsu wynosi 10 500 µj. Czas trwania impulsu jest w zakresie 45 200 fs. Powtarzanie impulsów w zakresie 10 Hz 5 khz, co daje moc maksymalną w impulsie w zakresie 1 3 GW i moc średnią do 600 mw. Szerokość spektralna impulsu 0,3 2%. Impuls zawiera od 10 11 do 10 13 fotonów. Średnia światłość jest w zakresie 10 11 10 13 a maksymalna 10 29 10 31 [fot/s/mrad 2 /0,1%bw]. Irradiancja wiązki zogniskowanej wynosi ponad 10 16 W/cm 2. Jedną z najważniejszych cech lasera Flash jest działanie w długofalowej części okna wodnego rozciągającego się w obszarze 2,3 4,4 nm. Woda jest przezroczysta w tym zakresie dla promieniowania, a jest ono silnie pochłaniane przez atomy węgla. Laser umożliwia kontrastowe badanie próbek biologicznych dla tych długości fali w roztworze wodnym. Źródłem energii lasera jest nadprzewodzący liniak elektronowy, zawierający 7 modułów po 8 wnęk rezonansowych z Nb typu TESLA, pracujących przy częstotliwości 1,3 GHz, o energii wiązki od 350 MeV do 1,25 GeV. Liniak wykorzystuje fotokatodowe działo elektronowe o małej emitancji odpowiedniej dla wydajnego procesu SASE. Flash jest laserem bez rezonatora o jednokrotnym przejściu impulsów elektronowych o znacznym natężeniu prądu maksymalnego 1 2 A wymaganym dla undulatora, pracującym w obszarze wysokiego wzmocnienia i nasycenia. Wysokie natężenie prądu szczytowego jest uzyskiwane w kompresorze długich impulsów elektronowych na średnim poziomie energii wiązki rzędu 150 450 MeV. Undulator o długości 27 m składa się ze stałych magnesów NdFeB o stałej szczelinie 12 mm i okresie 27,3 mm i maksymalnym polu magnetycznym 0,47 T. Undulator powoduje mikrozgęstkowanie elektronowej wiązki impulsowej. Mikrozgęstki promieniują koherentnie impulsy promieniowania X. Wiązka promieniowania X jest transmitowana do hali eksperymentalnej. Laser FLASH II stanowi znaczne rozszerzenie infrastruktury laserowej FLASH I. Zawiera dodatkową halę eksperymentalną podwajającą liczbę stacji użytkowych oraz oddzielny tunel z undulatorem o zmiennej szczelinie. Dzięki temu możliwe jest jednoczesne dostarczenie dwóch zupełnie niezależnych długości fali do stacji eksperymentalnych. Wiązka elektronowa jest przełączana z liniaka TESLA pod niewielkim kątem 1 o pomiędzy undulatory o stałej szczelinie FLASH1 i o zmiennej szczelinie FLASH2. Dostępna jest w infrastrukturze piąta harmoniczna fali podstawowej o długości fali 0,8 nm. Niskostratne elementy optyczne są dostosowane do tej dłu- Elektronika 3/2016

gości fali. FLASH2 wykorzystuje technikę posiewu dla długości fal 10 40 nm (w odróżnieniu od techniki SASE w laserze FLASH1) przy pomocy lasera Ti:Sa o częstotliwości repetycji 100 khz. Dla większych długości fal stosowana jest technika SASE. Przy laserze FLASH2 realizowany jest projekt budowy źródła THz dużej mocy z dedykowanym undulatorem. FERMI@Elettra Kompleks FEL Fermi (Free Electron Laser radiation for multidisciplinary applications) jest dwulaserowym źródłem 4 generacji zbudowanym przy infrastrukturze synchrotronowej ELETTRA 3 generacji w Trieście. Pracuje w rodzaju pracy z posiewem optycznym i generuje fale impulsowe 10 100 fs, w zakresie 4 100 nm, VUV, EUV i miękkie promieniowanie X. Długość fali 4 nm jest uzyskiwana w pierwszej harmonicznej. Przestrajanie w obszarze podstawowej harmonicznej obejmuje zakres 20 100 nm. Generowane promieniowanie impulsowe jest poprzecznie i wzdłużnie koherentne. Zastosowane undulatory typu APPLE-II pozwalają na uzyskiwanie polaryzacji liniowej w obu kierunkach wertykalnym i horyzontalnym a także kołowej w obu kierunkach. Generacja wiązki z posiewem optycznym, w odróżnieniu od metody SASE, gwarantuje bardzo dobre właściwości koherencji czasowej, stabilność długości fali, elastyczność przestrajania w zakresie długości fali i polaryzacji. Zaletą metody posiewu jest możliwość znacznego skrócenia długości undulatora w porównania z SASE oraz znaczna rozdzielczość spektralna umożliwiająca rezygnację z monochromatora. Sygnał posiewu jest dostarczany z klasycznego impulsowego lasera dużej mocy pracującego na długości fali 260 nm i propagowany kolinearnie z wiązką elektronową przez całą długość undulatora. Częstotliwość impulsów optycznych jest synchronizowana z częstotliwością zgęstek elektronowych, tak by oba impulsy optyczny i elektronowy pokrywały się. Złożony, wielofunkcyjny undulator jest podzielony na trzy części: modulacyjną, chromatyczną dyspersyjną i radiacyjną. W części modulacyjnej undulatora, pole elektryczne wiązki laserowej moduluje energię poprzecznie myszkującej wiązki elektronowej swoją własną częstotliwością. Subtelna modulacja energii jest przekształcana na przestrzenny rozkład gęstości ładunku w zgęstce w czasie przejścia przez magnetyczny, chromatyczny filtr dyspersyjny. Wynikła modulacja gęstości zgęstki zawiera wyższe harmoniczne długości fali lasera posiewu. W części radiacyjnej undulatora o przestrajanym natężeniu pola magnetycznego wybierana jest fala podstawowa lub harmoniczna i wzmacniana w czasie pojedynczego przejścia sygnału. Czas trwania impulsu optycznego FEL jest w przybliżeniu równy impulsowi z lasera posiewu i zależy od właściwości polaryzacyjnych radiacyjnej części undulatora. W celu generacji długości fali w obszarze okna wodnego, czyli redukcji z 20 nm do 4 nm, Fermi posiada drugą odrębną dwustopniową linię laserową składającą się kaskady HGHG o wysokim wzmocnieniu generującej harmoniczne. Pierwszy stopień drugiej linii jest podobny do pierwszej linii generującej falę 20 nm, ale posiada krótszy radiacyjny odcinek undulatora i jest posiewany krótszą falą 210 nm, oraz wzmacnia harmoniczną ok. 10 nm. Modulator drugiego stopnia jest dostrojony do wyjścia radiatora pierwszego stopnia. Drugi modulujący stopień undulatora ponownie moduluje wiązkę elektronową w energii i następnie gęstości. Drugi radiator jest dostrojony do harmonicznej pierwszego stopnia drugiej linii. Wyjściowa długość fali jest skrócona czterokrotnie. Druga laserowa linia kaskadowa posiada także magnetyczną linię opóźniającą pomiędzy obydwoma stopniami w celu poprawy sprawności lasera i jakości impulsów. Fotoiniektor bazuje na klasycznym rozwiązaniu mikrofalowym o długości ok. 1,5 wnęki rezonansowej. Uzyskuje się impulsy o długości 10 ps, częstotliwości repetycji 10 50 Hz, o ładunku do 1 nc i średniokwadratowej znormalizowanej emitancji poprzecznej ok. 1 mm-rad dla 100 MeV. Fotoiniektor z działem elektronowym zawiera dwie sekcje RF. Liniak pracuje z częstotliwością 3 GHz. Sekcje liniaka są przedzielone kompresorami wiązki. Maksymalna energia wiązki wynosi 1,5 GeV. Układ ogniskujący liniaka jest optymalizowany w celu minimalizacji poprzecznej emitancji spowodowanej poprzecznymi polami wzbudzonymi, dyspersją momentu pędu i koherentnym promieniowaniem synchrotronowym na wygięciach toru. Laser Fermi jest wyposażony w rozbudowany układ rozprowadzenia wiązek laserowych, znajdujący się za undulatorami i przed stacjami eksperymentalnymi, umożliwiający charakteryzację stanu wiązek, manipulację, dostarczanie, nieinwazyjne pomiary natężenia, rozkładu spektralnego, pozycji, koherencji, także z rozdzielczością czasową z impulsu na impuls, zmiany parametrów wiązki, rozdzielanie wiązki, opóźnianie, ogniskowanie. Spektrometr energetyczny wiązki, mierzy zawartość spektralną każdego pojedynczego impulsu, jest wyposażony w trzy siatki dyfrakcyjne, pracujące w pierwszym rzędzie dyfrakcji, pokrywające pełen zakres 100 4 nm. Mogą być używane aż do trzeciego rzędu dyfrakcji. Do re -ogniskowania wiązki zastosowano wyginane zwierciadła płaskie w układzie Kirkpatrick-Baez oraz układ diagnostyki z kilkoma czujnikami frontu fazowego fali, ekranami YAG i fluorescencyjnymi oraz śladowymi foliami PMMA i krzemowymi. Uzyskuje się ognisko o wymiarach 5 8 µm 2. Zastosowano autokorelator rozszczepiający front falowy transmitowanej wiązki EUV/SXR i retarder. Jedna z rozszczepionych wiązek jest opóźniana i następnie ponownie rekombinowana w celu uzyskania podwójnego impulsu o regulowanym opóźnieniu wzajemnym w zakresie 2 30 ps dla wszystkich długości fal generowanych przez laser. Infrastruktura laserowa FERMI jest wyposażona w szereg laserów impulsowych optycznych dużej mocy umożliwiających przeprowadzanie w różnym układzie doświadczalnym wielowiązkowych eksperymentów typu impuls próbka PP. SwissFEL Narodowy kompaktowy laser Szwajcarski SwissFEL jest budowany przez Instytut Paula Scherrer w Willingen [psi.ch/ swissfel]. Laser będzie pracował z impulsami o czasie trwania ok. 10 fs, częstością 100 Hz, mocą w impulsie do ponad 6 GW, w zakresie spektralnym 0,1 7 nm. PSI podejmuje znakomite wyzwania zgodne z ambicjami uczonych i polityków w tym niewielkim kraju. Takie inicjatywy przyciągają wielu młodych uczonych do Szwajcarii. Wokół takich inicjatyw powstaje wiele firm innowacyjnych. Planowane eksperymenty infrastruktury SwissFEL są skupione wokół dziedzin mających dzisiaj i w niedalekiej przyszłości silne przełożenie na gospodarkę kraju, jak inżynieria materiałowa, chemia, biologia, technika kosmiczna, inżynieria energetyczna. Ciekawym aspektem działania instytutu PSI jest obecność CERNu w tym kraju, a mimo to prowadzenie ambitnej własnej i zdecydowanej polityki naukowej. Laser rentgenowski o znakomitych parametrach znacznie rozszerza pole badawcze PSI. Kompaktowy laser bazuje na nowatorskich rozwiązaniach technologicznych obejmujących: działo elektronowe nowej konstrukcji bazujące na wnęce 2,5-krotnej, działo z fotokatodą przestrajane elektronicznie, modulatory wielkiej mocy wykonane w technologii półprzewodnikowej, praca w paśmie mikrofalowym C, próżniowa technologia undulatora o bardzo krótkim okresie zmienności Elektronika 3/2016 19

pola magnetycznego, undulator w technologii APPLE II z pełną kontrolą polaryzacji, generacja twardego promieniowania X. Zastosowanie nowych technologii pozwoliło zmniejszyć rozmiary lasera kilkukrotnie w porównaniu z rozwiązaniami klasycznymi. Także znacznie zmniejszono koszty maszyny. Laser posiada dwie linie eksperymentalne: twarde promieniowanie X 1 7A (2017r.), miękkie promieniowanie X 7 70A (2018 r.), każda z linii po trzy stacje doświadczalne. Obecnie (luty 2016) trwają prace nad instalacją infrastruktury liniaków oraz undulatorów. Liniak i 12 undulatorów będą gotowe pod koniec 2016r. Dostępność koherentnej, wysokiej jakości wiązki twardego promieniowania X o kontrolowanym stanie polaryzacji i wielkim natężeniu już w 2017 r. stawia infrastrukturę SwissFEL na najwyższym poziomie światowym. Instytut PSI jest słynny z aktywnych i skutecznych działań związanych z transferem takich nowoczesnych technologii do przemysłu. MAX IV FEL Laboratorium MAX IV w Lund jest operatorem trzech pierścieni akumulacyjnych dla źródeł synchrotronowych. Planowany laser MAX IV FEL jest uzupełnieniem tej infrastruktury. Źródłem energii będzie przedłużony do 5 6 GeV obecnie istniejący liniak 3 GeV. Laser będzie wykorzystywał wiele z elementów obecnie istniejącej i modyfikowanej możliwie niskim kosztem infrastruktury synchrotronowej. Akceleratorowe infrastruktury testowe i IR ALICE i CLARA W laboratorium STFC Daresbury Science and Innovation Centre budowana I testowana jest infrastruktura ALICE Accelerators and Lasers in Combined Experiments. Infrastruktura zawiera fotoiniektor z boosterem nadprzewodzącym 350 kev 8,35 MeV, liniak nadprzewodzący 30 MeV w układzie pętlowym z odzyskiwaniem energii wiązki elektronowej, magnetyczny kompresor impulsów, oraz wnękę optyczną FEL z wigglerem dla długości fali 6 8 µm. Celem infrastruktury jest badanie nowych rozwiązań technicznych dla laserów FEL pracujących w zakresie optycznym, IR i THz. Prowadzone są także badania nad wykorzystaniem infrastruktury do badań nad nowotworami. Kompaktowy akcelerator liniowy wykonany w technologii ciepłej CLARA Compact Linear Accelerator for Research and Applications jest infrastrukturą dla proponowanego kompaktowego rozwiązania FEL. CLARA wykorzystuje istniejącą infrastrukturę źródła synchrotronowego, w tym fotoiniektor VELA. SPARC Jest infrastrukturą testową badaną na terenie INFN Frascati. Prowadzone prace dotyczą nowych konstrukcji undulatorów, w szczególności metod generacji wysokich harmonicznych, techniki posiewu. SPARC jest używany wspólnie z budowaną w tym laboratorium 200 TW infrastrukturą laserową. LUNEX 5 jest infrastrukturą testową do badań przyszłościowych źródeł światła piątej generacji. Jest projektem realizowanym w ośrodku synchrotronowym SOLEIL kompaktowej maszyny FEL wykorzystującej nowe technologie akceleracji i generacji promieniowania optycznego w undulatorze zintegrowanym. FEL IR W Europie działa kilka maszyn FEL pracujących w obszarze IR. FEL CLIO zlokalizowany na terenie laboratorium LCP-CNRS Uniwersytetu Paryskiego w Orsay, generuje fale w zakresie 2 120 µm. FELBE działa w laboratorium HZDR w Dreźnie, generując fale w zakresie 4 250 µm. Lasery FELIX, FELICE oraz FLARE działają w laboratorium w Nijmengen generując fale w zakresie 2 1500 µm. TARLA jest infrastrukturą FEL planowaną w Turcji. 20 Krajowe działania w obszarze budowy infrastruktur FEL Lasery WaFEL i PolFEL Planowany odważnie, wręcz wizjonersko w Świerku [polfel.pl], kilka lat temu polski laser FEL z falą ciągłą, początkowo nazwany dźwięcznie Warsaw FEL lub WaFEL a następnie Poland FEL PolFEL miał bazować na znacznych doświadczeniach polskich uczonych inżynierów i fizyków pracujących w kilku światowych ośrodkach laserowych rozpoczynających pracę nad tymi laserami w ramach takich projektów jak TESLA, TTF Tesla Test Facility, FLA- SH - DESY, Sparc INFN Frascati, Fermi at Elettra, także CEBAF Jefferson Lab, i innych [polfel.pl], [20,21]. Posiadamy w kraju stosowne, aczkolwiek rozproszone, kompetencje w technologiach nadprzewodzących, technologii TESLA, RF wysokopozimowym i niskopoziomowym. We współpracy z silnie zaprzyjaźnionymi zespołami zagranicznymi laser PolFEL był w zasięgu polskiego środowiska naukowego. Niestety pozycja środowiska naukowego jest relatywnie niska w hierarchii społecznej w Polsce i projekt się nie przebił. Wielka szkoda. SOLARIS Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego UJ Solaris jest pierwszą w kraju synchrotronową infrastrukturą badawczą większej klasy [synchrotron. uj.edu.pl]. Użytkowy dostęp do wiązki jest przewidziany w bieżącym roku. Rozwój maszyny będzie postępował w kierunku zwiększania liczby linii badawczych. A następnie, być może, w kierunku rozszerzenia infrastruktury o FEL. Wówczas zbudowany pierścień synchrotronowy mógłby być wykorzystywany jak tor akumulacyjny i iniektor współpracujący z liniakiem nadprzewodzącym. Narodowe Centrum Radioterapii Hadronowej jest ośrodkiem leczenia nowotworów zlokalizowanym na terenie IFJ PAN w Krakowie. Źródłem energii protonów jest cyklotron izochroniczny. Urządzenie jest wyposażone w pełnowymiarowy skaner wiązki protonowej wokół pacjenta gantry. Konieczne do odnotowania, mimo że nie jest technologią FEL tylko akceleratorową, w tym miejscu ze względu na jego unikalny charakter i ogromny na warunki krajowe koszt przekraczający 200 Mzł. European X-ray FEL Wielka infrastruktura badawcza, jedna z największych na świecie, europejskiego lasera rentgenowskiego E-XFEL rozpocznie działanie dla użytkowników w roku 2017 z jedną linią fotonową i dwoma stacjami eksperymentalnymi. Koszt infrastruktury jest oceniany na ok. 2 Mld. Polska uczestniczy w budowie jako członek konsorcjum EXFEL. Infrastruktura składa się z lasera o długości ok. 3,5 km i stacji badawczych. Źródłem energii jest nadprzewodzący elektronowy akcelerator liniowy z iniektorem o długości ponad 2 km. Maksymalna energia przyspieszanych w liniaku elektronów będzie wynosić początkowo 17,5 GeV, a następnie 20 GeV. Koherentne światło impulsowe jest generowane w strukturze undulatorowej wykorzystując mechanizm SASE. Liniak wykorzystuje mikrofalowe wnęki nadprzewodzące z niobu o znormalizowanej strukturze TESLA, pracujące z falą stojącą dużej mocy o częstotliwości 3 GHz. Liniak zawiera 101 modułów po osiem wnęk każdy. Impulsy laserowe po kompresji będą trwały kilka femtosekund. Przestrajanie długości fali jest możliwe w zakresie 0,05 6 nm. Docelowo przewidziano pięć linii fotonowych i 10 stacji eksperymentalnych. Po uruchomieniu laser EXFEL przez co najmniej dekadę nie będzie miał konkurencji w analogicznej infrastrukturze badawczej. E-XFEL daje zupełnie nowe możliwości badawcze w porównaniu z poprzednimi generacjami źródeł światła. Przedsmak tych możliwości można było testować na 10-krotnie Elektronika 3/2016

mniejszych maszynach FLASH. Wokół infrastruktury EXFEL tworzone są oficjalne konsorcja użytkowników. Zatwierdzono dotychczas kilka takich konsorcjów, ale proces budowy i strukturalizacji użytkowników jest otwarty. Konsorcjum XBI przy EXFEL, koordynowane przez laboratorium EMBL Zintegrowana Infrastruktura Biologiczna buduje pełną ścieżkę eksperymentalną do badania obiektów biologicznych w wiązce laserowej obejmującą przygotowanie próbki, dostarczanie próbki, kontrola jakości danych, interpretacja danych dyfrakcyjnych. Konsorcjum SFX Szeregowa Krystalografia Femtosekundowa przygotowuje standaryzację eksperymentów nanokrystalograficznych. Budowany instrument SFX będzie integralną częścią eksperymentalnej linii SPB poświęconej pojedynczym cząstkom, klastrom cząstek i biomolekułom. DataXpress Sprzęt i Oprogramowanie Analityczne jest konsorcjum użytkowników budującym zintegrowany zestaw narzędzi sprzętowych i programistycznych dla koherentnych eksperymentów dyfrakcyjnych z pojedynczymi cząstkami i nanokryształami. Konsorcjum użytkowników CircPol Wiązki Spolaryzowane buduje zestaw eksperymentów z impulsami w zakresie miękkiego promieniowania X o kontrolowanej polaryzacji. Technika polaryzacyjna wykorzystuje dodatkowy undulator oddziaływujący z wiązką po jej mikrozgęstkowaniu w głównym undulatorze maszyny EXFEL. Konsorcjum użytkowników HIBEF Pola Ekstremalne buduje szereg połączonych eksperymentów aparaturowych dodających do wiązki EXFEL wysoce intensywne wiązki laserowe optyczne oraz bardzo silne impulsowe pola magnetyczne. Badane będą zjawiska rozproszeniowe w próbkach z oddziaływaniem połączonych pól. Eksperymenty HIBEF będą zintegrowane z aparaturą HED Fizyka Wielkich Gęstości Energii. HIBEF jest koordynowany przez HZDR Centrum Helmholtza Drezno-Rossendorf. Konsorcjum użytkowników COMO Molekuły Polarne i Izomery wykorzystuje miękki i twarde promieniowanie X do wszechstronnych badań molekularnych i klastrowych. Konsorcjum h-rixs dotyczy badań z zastosowaniem Rezonansowego Rozpraszania Nieelastycznego promieniowania X. Instrumentarium dla FEL i HEP Aparatura pomiarowa, kontrolna, sieciowa, czujniki, systemy sterowania są w wielkich eksperymentach, w szczegółowych aspektach, unikalne dla każdego rozwiązania. Jednak, w ostatnim czasie ze względu na bardzo silną standaryzację sprzętu elektronicznego dla akwizycji i przetwarzania wielkich ilości danych rozwiązania ulegają także silnej standaryzacji. Standaryzacji podlegają także inne warstwy systemu, zarówno sprzętowe jak i programistyczne, jak współpraca koncentratorów danych z peryferiami. Interfejsy peryferiów, sprzętowe (magistrale pomiarowe) i programistyczne (bloki programistyczne API) stają się standardowe i posiadają wbudowaną inteligencję. Nawet bardzo wymagający system budowany jest obecnie z gotowych lub autorsko modyfikowanych bloków funkcjonalnych. Korzysta się z dobrze opracowanych i szybko modernizowanych standardów telekomunikacyjnych i instrumentalnych jak ATCA i µtca. Nie oznacza to, przynajmniej na razie, redukcji pracy intelektualnej przy projektowani systemu pomiarowo kontrolnego, do zabawy w Lego. W przypadku systemów badawczych nigdy tego nie będzie oznaczało. Nieporównywalnie komplikują się wymagania na funkcjonalność systemu, zwiększa się oczekiwany poziom niezawodności, wbudowywana jest złożona warstwa diagnostyczna, itp. Ciężar pracy przesuwa się w kierunku budowy wielowarstwowego środowiska programistycznego obsługującego system. Środowisko to także podlega ewolucji i standaryzacji. Środowisko musi obsługiwać różne procesory jak CPU, systemy wbudowane, DSP, FPGA, i zapewniać takie funkcje jak transmisja, akwizycja i przetwarzanie danych, niezawodność, w pewnych obszarach praca w czasie rzeczywistym, komunikacja z systemami poprzednich generacji, i wiele innych. Jaka czeka nas przyszłość o obszarze badawczym, gdzie instrumentarium jest tworzone przez infrastruktury FEL, oraz połączone infrastruktury FEL lasery klasyczne magnesy impulsowe - i silne oddziaływania polowe? Tak silne polowe oddziaływania połączone pozwalają wniknąć w struktury subatomowe inną metodą niż klasyczne techniki HEP. W znacznej mierze na te pytania próbują odpowiedzieć coroczne duże międzynarodowe konferencje FEL gromadzące całą społeczność światową. Literatura [1] H. Motz, Application of the radiation from fast electron beams, J.Appl.Phys., vol. 22, no. 5, p. 527 535 (1951). [2] J.M.J. Madey, Stimulated emission of bremsstrahlung in a periodic magnetic field, J.Appl.Phys, vol. 42, no. 5, pp. 1906 1913 (1971). [3] D.A.G. Deacon, L.R. Elias, J.M.J. Madey, G.J. Ramian, H.A. Schwettman, T.I. Smith, First operation of a free-electron laser, Phys. Rev. Lett., vol. 38, no. 16, p. 892 (1977). [4] R. Bonifacio, C. Pellegrini, L.M. Narducci, Collective instabilities and high-gain regime in a free electron laser, Optics Communications, vol. 50, no. 6, pp. 373 378 (1984). [5] G.T. Moore, The high-gain regime of the free electron laser, Nucl. Instr. and Meth, vol. A239, no. 1, p. 19 28 (1985). [6] K.-J. Kim and A. Sessler, Free-electron lasers: present status and future prospects, Science vol. 250, no. 4977, pp. 88 93 (1990). [7] S. V. Milton, et al., Exponential gain and saturation of a self-amplified spontaneous emission free electron laser, Science 292, 2037 2041 (2001). [8] V. Ayvazyan, et al., Generation of GW radiation pulses from a VUV free-electron laser operating in the femtosecond regime, Phys. Rev. Lett. 88, 104802 (2002). [9] G. R. Neil and L. Merminga, Technical approaches for high-average-power free-electron lasers, Rev. Mod. Phys. 74, 685 (2002). [10] E.L. Saldin, E.A. Schneidmiller, M.V. Jurkov, Attosecond pulses from X-ray FEL with an energy chirped electron beam and a tapered undulator, Proceedings of FEL 2006, BESSY, Berlin, Germany (2006). [11] W. Ackermann et al., Operation of a free-electron laser from the extreme ultraviolet to the water window, Nature Photon. 1, 336 (2007). [12] K. Tiedtke et al., The soft x-ray free electron laser FLASH at DESY: beamlines, diagnostics and end stations, New J.Phys., vol.11, art. 023029 (2009). [13] W.A. Barletta, et al., Free electron lasers: Present status and future challenges, Nuclear Instruments and Methods in Physiucs Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2010, vol. 618, no. 1 3, pp. 69 96; doi:10.1016/j.nima.2010.02.274 (2010). [14] P. Emma et al., First lasing and operation of an ångstrom-wavelength free-electron laser, Nature Photon. 4, 641 (2010). [15] J.N. Galayda et al., X-ray free-electron lasers present and future capabilities, JOSA B 27 (11), B106 (2010) [16] P. Emma, et al., First lasing and operation of an angstrom-wavelength free-electon laser, Nature Photonics 4, p. 641 (2010). [17] T. Ishikawa, et al., A compact X-ray free-electron laser emitting in the sub-angstrom region, Nature Photonics 6, p. 540 544 (2012). [18] E. Allaria, et al., Highly coherent and stable pulses from the FER- MI seeded free-electron laser in the extreme ultraviolet, Nature Photonics 6, p. 699 704 (2012). [19] Free Electron Laser research and applications [http://sbfel3.ucsb. edu/www/vl_fel.html]. [20] R.S. Romaniuk, POLFEL A Free Electron Laser in Poland, Photonics Letters of Poland, vol. 1, no. 3, pp. 103 105 (2009) doi: 10.4302/plp.2009.3.01. [21] R.S. Romaniuk, POLFEL laser na swobodnych elektronach w Polsce, Elektronika konstrukcje, technologie, zastosowania, vol. 51, nr. 4, str. 83 87 (2010). [22] R.S. Romaniuk, Europejski Laser Rentgenowski, Elektronika konstrukcje, technologie, zastosowania, vol. 54, nr. 4, str. 149 154 (2013). [23] R.S. Romaniuk, Lasery rentgenowskie LCLS i LCLS II: SLAC, Elektronika konstrukcje, technologie, zastosowania, vol. 54, nr. 5, str. 66 69 (2013). Elektronika 3/2016 21