مقدمه

در لیزرهای رزینه‌ای الکترونها مقید به یک اتم و یا یک مولکول هستند و یا در طول زنجیره‌ای از اتمها که مولکول دو قطبی را تشکیل می‌دهند، آزادی حرکت دارند. نیز در لیزرهای نیم رسانا الکترونها می‌تواند که در تمام حجم بلور حرکت کنند. ولی در لیزر الکترون آزاد ، که یکی از جدیدترین و جالبترین انواع لیزرهاست، الکترونها بیشتر از موارد فوق الذکر آزادی حرکت دارند.

در لیزر الکترون آزاد الکترونها آزادانه در یک میدان مغناطیسی متناوب حرکت می‌کنند و در اثر برهمکنش میدان الکترومغناطیسی با الکترونهایی که در این ساختار تناوبی در حرکتند، فرآیند گسیل القایی رخ می‌دهد. از نظر تاریخی ، لیزر الکترون آزاد اولین بار در سال 1951 بوسیله Mets پیشنهاد شد. این لیزر قادر به کار در ناحیه طیفی مرئی و ماوراء بنفش هستند، ولی تا کنون این لیزرها تنها در طول موج λ = 3/4µm عمل کرده است.

سینماتیک اندرکنش الکترون آزاد- فوتون

لیزرهای الکترون آزاد ، علت تشعشع انرژی الکترومغناطیسی ، شتاب الکترونها در میدان متناوب است. نمونه مشابه برای چنین تشعشعی ، تشعشع سینکروترون الکترونهایی است که در یک میدان مغناطیسی حرکت دایره‌ای انجام می‌دهند ولی این تشعشع طیف وسیعی را می‌پوشاند، لذا برای نوسان لیزری مناسب نیست. در لیزر الکترون آزاد ، الکترونها مجبورند در جهت عرضی (x یا y) حرکت موجی انجام دهند، در حالیکه با سرعتهای نسبیتی در جهت محور اصلی (z) حرکت می‌کنند.

مقدار بیشتری از انرژی میدان تشعشعی حاصله ، بر خلاف تشعشع سینکروترون دارای باند باریکه‌ای از فرکانس است و این برای نوسان لیزری مناسب است. این فرکانسها در واقع فرکانسهایی هستند که الکترونها با یک طول موج اپتیکی ، عقب نشینی می‌کند. تشعشع منتشره در هر نقطه در طول مسیر با تشعشع منتشره در زمانهای قبلی در یک ردیف قرار گرفته و بدین ترتیب یک جمع شوندگی میدان ایجاد می‌شود (چنین سرعت الکترون نسبیتی است). یک نقطه نظر دیگر ، مبادله توان ( E_x(r,t)V_x(r,t بین الکترون متحرک و موج الکترومغناطیسی متحرک با یک میدان (E(r,t می‌باشد. شرط همزمانی استنتاج شده در بالا ، تضمین می‌کند که علامت E_xV_x نباید تغییر کند، چون هر تغییر علامتی در V_x اتفاق بیفتد، در همان زمان E_x تغییر علامت می‌دید.

توان E_xV_x که از باریکه الکترون به موج الکترومغناطیسی جاری می‌شود، پیوسته است (این توان حادی شده ممکن است منفی باشد). فرکانسهای گذار فرکانسهایی هستند که طی آن سرعت الکترون تغییر جهت می‌دهد. الکترون آزاد ، انرژی E₁ از میدان الکتریکی یک فوتون با انرژی E_ph جذب کرده و یا به آن یک فوتون می‌دهد و با انرژی E₂ خاتمه می‌یابد.

چون الکترونها حرکت نسبیتی دارند لذا انرژی آنها نیز باید از روابط نسبیتی محاسبه شود. اما مشاهده می‌کنیم که تغییر در انرژی E_e∆ یک الکترون ، ایجاد یک گذار از مختوم P₁ به P₂ می‌کند که کوچکتر از انرژی (P₁ - P₂) فوتون با مختوم (P₁ - P₂) می‌باشد. این نتیجه در سه بعد نیز صادق است. یکی از راه حلهای این مسئله میانجیگری در اندرکنش بین الکترون و باریکه نور (فوتونها) بوسیله انتقال پریودیک فضایی است که با مضاربی از 2π/L جذب می‌کند (L پریود است)، اختلال می‌‌تواند بر فوتون ، الکترون و یا هر دو اثر کند.

برای مشاهده نحوه عمل ، فرض می‌کنیم در تیوبهای موج رونده میکروویو ، جائیکه میدان الکترومغناطیسی در یک ساختار پریودیک منتشر می‌شود، به میدان یک حرکت پریودیک اضافی وارد می‌شود. در مورد یک لیزر الکترون آزاد ، این حرکت الکترون است که بطور پریودیکی با بکار بردن یک میدان مغناطیسی بطور فضایی پریودیکی مدوله می‌شود. البته می‌توان میدان الکترومغناطیسی را بطور فضایی مدوله کرد، این کار با بکار بردن یک موجی که بطور فضایی پریودیکی است، عملی می‌باشد.

هرگاه در تیوبهای موج رونده و شتاب دهنده‌های خطی ذرات باردار ، به نقطه نظر کلاسیکی برگردیم: یک الکترون را در نظر می‌گیریم که با سرعت V در حرکت است و با یک میدان الکترومغناطیسی رونده که میدانهای مغناطیسی و الکتریکی آن به ترتیب بصورت (E(r,t)B(r,t است، اندرکنش می‌کند.

شرط همزمانی (The synchrcnism crndition)

برای اینکه یک تبادل انرژی بین الکترون (با انرژی γmc²) و یک میدان E صورت می‌گیرد، لازم است که سرعت الکترون (v) در امتداد E ، مؤلفه غیر صفر داشته باشد. (γ ضریب تبدیل جرم نسبیتی است) در مورد موج الکترومغناطیسی تخت که در جهت z منتشر می‌شود E_z = 0 بوده و E_x ≠ 0 است. برای اینکه بایستی بررسی الکترون یک مؤلفه عرضی V_x داشته باشیم، چون V_z < c است، الکترون نسبت به موج عقب می‌افتد و بایستی تغییر علامت دهد (جهت سرعت تغییر می‌کند)، لذا تبادل خالص انرژی بین الکترون و باریکه متوسط گیری می‌شود.

یک راه حل آشکار این مسئله ودار کردن الکترون به تغییر سرعتش می‌باشد. بطوری که در یک جهت با میدان عرضی حرکت می‌کند. این کار با بکار بردن یک میدان مغناطیسی عرضی پریودیکی فضایی (با پریود ₀λ) در حضور یک موج الکترومغناطیسی تخت با طول موج λ بیان می‌شود. بردار سرعت الکترون در z = 0 با میدان روبرو شده و دارای یک سرعت عرضی موازی جهت میدان (V_x||E_x) می‌باشد. بطوری که V_xE_x>0 است. یک الکترون مشابه در دو نقطه اضافی دیگر نشان داده شده‌اند. بخشی از یک میدان الکتریکی که در ابتدا در نقطه z = 0 با الکترون روبرو شده ، در نقطه V_x 0 است، ولی میدان الکترومغناطیسی سریعتر و جلوتر از الکترون حرکت می‌کند بطوری که E_x < 0 و E_xV_x > 0 است.

در نقطه z = λ₀ ، V_x > 0 است و E_x > 0 است لذا E_xV_x>0 می‌باشد. بنابراین در هر نقطه E_xV_x> 0 است و الکترون بطور پیوسته قرمز شده و به میدان اپتیکی انرژی می‌دهد. شرط تشدید P₁ - P₂ = ±t.k می‌باشد.

نشر خود به خودی و بهره در FEL

وقتی که الکترون در میدان مغناطیسی wigglel حرکت شتابدار انجام می‌دهد (و این شتاب پریودیک و عرضی می‌باشد) و از آن یک تشعشع خودبخودی بوجود می‌آید، بطوری که طیف حاصل از این تشعشع از روابط مشابه توری پیروی می‌کند. (پریودهای میدان مغناطیسی برای الکترون به مثابه توری می‌باشد). الکترون شتابدار موج الکترومغناطیسی تشعشع می‌کند و این تشعشع در یک ساختار پریودیک صورت می‌گیرد. بهره به عنوان اختلاف بین آهنگ نشر و جذب تحریکی بوسیله الکترونهای تشعشعی می‌باشد.

مزایا وکاربردهای FEL

• یکی از مزیتهای FEL نسبت به لیزرهای اتمی این است که در FEL با افزایش طول اندرکنش L ، بهره الزاما افزایش پیدا نمی‌کند و ممکن است بهره از بین رفته و حتی منفی شود و خود L افزایش می‌یابد، فرکانس برای ماکزیمم بهره به مقدار تشدید خود نزدیک می‌شود.
  
  
• در نوسانگرهای FEL تشعشع از افت و خیز چگالی باریکه الکترونی و یا از نشر خودبخودی آغاز می‌شود و هنگامی که توان تبدیلی از باریکه الکترونی بتوان تشعشعی از اتلافات تشعشع در مشدد زیاد باشد عمل لیزر صورت می‌گیرد. مزیت اصلی FEL به لیزرهای کوانتومی قابلیت تنظیم تشعشع آن می‌باشد. در لیزرهای کوانتومی طول موج لیزر بوسیله انرژی گذارهای بین ترازهای کوانتومی اتمها یا مولکولها در ماده فعال مشخص می‌شود و علی‌رغم تنوع و تعداد مواد فعال لیزری تعداد ترازهای کوانتومی محدود است (محدود به معنی متناهی) ولی در FEL ها طول موج لیزر بوسیله پارامترهای باریکه الکترونی و ساختار الکترودینامیکی آنها مشخص می‌شود (دیوارهای موجی ، آینه‌های مشدد و ...) نیز با مشخصه‌های میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در ناحیه اندرکنش.
  
• تشعشع FEL می‌تواند بر یک نقطه که سایز آن با پدیده‌های پراش مشخص می‌شود، متمرکز گردد.
  
• تقویت نور در FEL ها در خلأ صورت می‌گیرد، لذا اثرات ماده فعال روی نور وجود ندارد و پراش نیز کم است. لذا این لیزر برای طی مسیر طولانی و توانهایی بالا مناسب است، ولی در لیزرهای معمولی بخاطر پراکندگی ماده فعال توان خروجی کم است، ولی مشکل عمده FEL ها تکنیک شتاب دهنده الکترونی است.
  
• بهره FEL ها بالای 100% است، ولی محدودیتهای موجود (نه از نظر فیزیکی) باعث شده که رکورد بهره از 34% تجاوز نکند.

از این لیزرها در علم و صنعت ، مانند فعل و انفعالات مواد میکرو لیتوگرافی ، جداسازی ایزوتوپها ، کاربردهای شیمیایی ، گرمایش پلاسما و ... استفاده می‌شود.