Frielektronlasrar

Det mest utmärkande draget för en laser, men kanske inte det man först tänker på, är att ljuset den skickar ut är väldigt koherent. Koherens är en egenskap hos en vågor som talar om hur väl korrelerad en våg är med en annan våg eller med sig själv. Enkelt uttryckt innebär koherens att om man undersöker en våg på en plats kan man säga hur den kommer att se ut på en annan plats (rumskoherens) eller på samma plats vid en annan tidpunkt (tidskoherens). Att vågor är koherenta är en förutsättning för att man skall kunna se fenomen som interferens.

I en typisk laser alstras koherent strålning genom stimulerad emission (därav "ser" i ordet laser -stimulated emission of radiation). Först ser man till att lasermediet, som kan vara en gas, en kristall, eller en halvledare, innehåller en stor andel atomer/molekyler/elektroner i ett speciellt exciterat tillstånd genom att pumpa det med energi från en extern källa. När en ljusvåg passerar genom lasermediet stimulerar den de exciterade partiklarna att skicka i väg ljus av samma fas och våglängd med resultatet att man får en förstärkt ljusvåg med samma egenskaper som den ursprungliga ("la" light amplification).

Undulator. 1. Magneter 2. Elektronstråle
3. Cyklotronstrålning. Bild från Wikipedia.

En frielektronlaser (FEL) fungerar efter en helt annan princip. När en laddad partikel, i det här fallet en elektron, böjs i ett magnetfält skickar den ut elektromagnetisk strålning, så kallad cyklotronstrålning (eller om energin hos partiklarna är hög - synchrotronstrålning). Genom att skicka in elektroner från en accelerator, med en hastighet juuust under ljushastigheten, i en s.k. undulator, en uppsättning magneter med alternerande polriktning, så kan man få elektronerna att röra sig i en oscillerande bana och skicka ut ljus i varje sväng. Denna teknik har utnyttjats länge i synchrotroner för att få fram ljus av hög intensitet. I en synchrotron är ljuset inte koherent. I en FEL kan man få fram koherent ljus genom att ha en längre undulator där elektronerna har tid att påverkas av fältet i det utsända ljuset. Elektronerna klumpas då ihop (microbunching) och skickar ut ljus koherent. Principen har varit känd länge, men tekniska problem har börjat överkommas endast de senaste åren.

I likhet med en synchrotron kan våglängden hos ljuset från en FEL varieras från någon ångström till millimeter, dvs från röntgen till mikrovågor. Röntgenljus går inte att alstra med några andra typer av lasrar eftersom det inte finns några material att tillverka de nödvändiga speglarna av. Ljuspulserna kan vara så korta som några tiotals femtosekunder (på 100 fs hinner ljus röra sig ca 30 µm eller ca radien på ett hårstrå) med en intensitet 10 miljarder gånger större än hos en synchrotron.

Världens kraftigaste FEL finns i Stanford där man byggde om den berömda acceleratorn på SLAC till en gigantisk FEL. Linac Coherent Light Source (LCLS), som togs i bruk i slutet av 2009, kan leverera ljus från 540 till 9000 eV (2.3 till 0.14 nm) med en pulsenergi på 2-3 mJ. Då pulslängden kan vara runt 100 fs ger det en effekt på 10 GW och en flödesdensitet på >10²⁰W/m² i röntgenområdet. Så korta intensiva röntgenpulser öppnar för mycket ny forskning, som vi skall se.

Men man är inte nöjda med det. I en läsvärd artikel från 2005¹ beskrivs metoder för att kunna nå ännu kortare pulser ner till hundratals attosekunder. Det skulle öppna ytterligare dörrar.


1 Feldhaus, J., Arthur, J. & Hastings, J. B. X-ray free-electron lasers. J. Phys. B 38, S799-S821 (2005).