1-    مقدمه

در لیزر الکترون آزاد(FEL)[1]  هدف آنست که الکترونها با سرعتی نسبیتی از شتاب دهنده خارج شده و پس از ورود به محیط اندرکنش ، قسمتی از انرژی جنبشی خود را به انرژی تابش الکترومغناطیس تبدیل کنند و باعث تقویت موج الکترومغناطیس شوند که نتیجه آن تولید باریکه همدوس لیزر است . با توجه به نحوه عملکرد می توان آنرا بسیار شبیه یک گروه عمومی وسایل تولید امواج مایکروویو به نام TWT [2]دانست .

لیزر الکترون آزاد یک چشمه نور قابل تنظیم است. و بازده آن زیاد است، عملاٌ روی هر طول موجی تنظیم می شود، در توان های بالا کار می کند و البته نور همدوس تولید می کند، در صورتی که لیزر های گازی و حالت جامد فقط در طول موج هایی که خاص گذارهای انرژی مواد فعال آن هاست می توانند نور تولید کنند. برخلاف لیزرهای متداول که نوعا فقط تا چند درصد انرژی دریافتی را به نور تبدیل می کنند، بازده بالقوه لیزرهای الکترون آزاد به 65 درصد  می رسد و بازده عملی آنها به 45 درصد می رسد. در لیزرهای الکترون آزاد نیز ، مثل لیزرهای معمولی، نور همدوس توسط الکترون ها گسیل می شود، اما در این مورد (چنانکه از اسم لیزر هم پیداست) الکترون ها به جای آن که به اتم های ماده فعال لیزر مقید باشند به شکل باریکه ای در خلاء حرکت می کنند . چون الکترون ها آزاد هستند،  طول موجی که گسیل می کنند به گذار مجاز میان دو تراز انرژی یک ماده خاص محدود نمی شود .

نور این لیزرها در اثر برهم کنش سه عامل تولید می شود که عبارتند از ، شتابدهنده ، میدان ویگلر و موج الکترومغناطیس که به اختصار آنها را توضیح می دهیم

1 – شتابدهنده و باریکه الکترونی :

دستگاهی است که باریکه الکترونی با انرژی بالا تولید می کند و به الکترونها سرعتهای نسبیتی می دهد. شتابدهنده ها انواع مختلفی هستند از جمله : شتابدهنده حلقه انباشت[3] ، شتابدهنده خطی Rf[4]، شتابدهنده القایی و شتابدهنده الکترواستاتیک .

2- موج الکترومغناطیس :

یک موج الکترومغناطیس که قصد داریم آنرا جهت ایجاد نور لیزر تقویت  نماییم، در همان راستای حرکت الکترونهای درون ویگلر حرکت می کند .

3 - میدان ویگلر:

میدان  مغناطیسی یا الکتریکی که در فضا دوره ای است و توسط یک مجموعه آهنربا مشهور به  ویگلر[5] ایجاد می شود .اثر میدان مغناطیسی ویگلر روی الکترونها طوری است  که توسط آن انرژی جنبشی الکترونها به موج الکترومغناطیس منتقل می شود که این انرژی باعث تقویت موج می شود و این موج الکترومغناطیسی توسط یک سیستم بازیافت در لیزر تقویت و منتشر می شود.

قابل تنظیم بودن لیزر الکترون آزاد در تمام بازه طول موجی به این علت است که طول موج نور لازم برای تداخل بین این سه عنصر به وسیله هر دو عامل تناوبی بودن ویگلر و انرژی باریکه الکترون تعیین می شود .

وقتی موج نور از میان میدان مغناطیسی استاتیک ویگلر می گذرد تغییرات فضایی میدان ویگلر با تغییرات میدان الکترومغناطیسی موج نور ترکیب می شود و یک موج زنش[6] به وجود می آید. بسامد موج زنش با بسامد موج نور یکی است ولی عدد موج آن برابر با مجموع عدد موج های باریکه ی نور و میدان ویگلر است .

در این فرآیند الکترون ها انرژی خود را به موج الکترومغناطیسی می دهند .

2-   لیزر[7] چیست ؟

کلمه لیزر مخفف کلمات زیر می باشد :

Laser: Light Amplification by  Stimulated Emission of  Radiation

که ابداع یک دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه کلمبیا به نام گوردون گولد است. او در همان سالهایی که تاونز و شاولو روی میزر[8] کار می کردند روی گسیل القایی در گستره طول موج نور مرئی کار می کرد، منتها چون اول تاونز و شاولو تقاضای اختراع کردند گولد مثل آنها مشهور نشد .

لیزر یک منبع نور است ، اما ویژگی های منحصر به فردی دارد که آنرا از نور معمولی متمایز می کند که این ویژگی ها را برمی شمریم .

1- تکفامی

تکفامی نور لیزر به این معنی است که بر خلاف نورهای معمولی شامل طیف وسیعی از طول موجها نیست و فقط یک طول موج دارد.

2- همدوسی

در مورد همدوسی نور لیزر می‌توان گفت که در بیشتر چشمه‌های نور، تنها بخش کوچکی از نور در اثر گسیل القائی تولید می‌شود و قسمت عمده نور، حاصل گسیل خودبخود کوانتومها، در راستاهای مختلف است که با قدری اختلاف زمانی منتشر می‌شوند، اما وقتی نور نتیجه گسیل القائی باشد همه کوانتومها دقیقا همزمان و همه در یک راستا انتشار می‌يابند. نور حاصل از گسیل خود به خودی که کوانتومهایش ناهمفازند، نور ناهمدوس و نور حاصل از گسیل القائی که همه کوانتومهایش دقیقا همفازند، نور همدوس نامیده می‌شود.

3- جهت مندی

جهت مندی نور لیزر نیز به این معنی است که به شکل یک اشعه باریک و موازی تولید نمی‌شود، بلکه راستاهای مختلف را اختیار می‌کند و تنها اشعه ای که در امتداد کاواک منتشر میشود می تواند در آن دوام یابد.

4- درخشندگی

میزان درخشایی یک چشمه امواج الکترومغناطیسی به توان گسیل شده از واحد سطح چشمه در واحد زاویه فضایی اشاره می گردد.درخشایی پرتوهای لیزر حتی وقتی که از قدرت کمی (مثلا در حدچند میلی وات)برخوردارند به مراتب بزرگتر از درخشایی درخشان ترین چشمه های معمولی است واین مساله ناشی ازخواص جهتمندی فوق العاده بالای باریکه لیزر است. به عنوان مثال درخشندگی لیزر 1 mw ، سه میلیون برابر شمعی با همان توان است .

3-      تاریخچه لیزر

در بهار سال 1951 ، نیروی دریایی آمریکا از دکتز چالز تاونز[9] ، فیزیک دان دانشگاه کلمبیا درخواست کرد که راههایی را جهت افزایش فرکانسهای میکروموج بیابد ،چون نیروی دریایی به فرکانسهای بیشتر نیاز داشت تا بتواند در ارتباطات از آنها استفاده نماید .

تاونز به همراهی دکتر هربرت زایگر[10] و جیمز گوردون[11] ، دا نشجوی کارشناسی ارشد شروع بکار کرد .آنها در سال 1953 وسیله ای را ساختند که از گاز آمونیاک به عنوان محیط فعال استفاده می کرد و چشمه میکرو موج با فرکانس بالا بود.این وسیله میزر Maser [12] نامگذاری شد .

در سال 1964 به تاونز و دو فیزیکدان دیگر از روسیه که روی میزرها بطور مشترک کار کرده بودند،مشرکاً جایزه نوبل داده شد .

4 -    تاریحچه لیزر الکترون آزاد

اگر چه اصول کار لیزر الکترون آزاد نسبتاً ساده است ولی عملی کردن این اصول بسیار دشوار است. اولین بار هانس موتز[13]  از دانشگاه استانفورد[14] طیف گسیلی باریکه الکترون در میدان مغناطیسی امواج را در سال 1951 محاسبه کرد. او و همکارانش ابتدا لیزرسبز-آبی ناهمدوس تولید کردند و بعد موفق شدند که به تقویت همدوس در طول موج های میلی متری دست یابند چون کیفیت باریکه الکترون خوب نبود، ماتز و همکارانش نتوانستند نور همدوس در طول موجهای مرئی تولید کنند. لیزر الکترون آزاد در سال 1975 بار دیگر مورد توجه قرار گرفت. این هنگامی بود که جان مدی[15] (کسی که اصطلاح  لیزر الکترون آزاد را رایج کرد) و همکارانش در استانفورد با استفاده از یک ویگلرمارپیچی و باریکه الکترونی که از یک شتابدهنده خطی می گرفتند توانستد خروجی لیزر ₂co با طول موج 6/10 میکرون تقویت کنند. موفقیت مدی مرهون پیشرفت هایی بود که در تکنولوژی شتابدهنده های خطی و طراحی ویگلر حاصل شده بود.

همزمان با تحقیقات استانفورد، آزمایشگران در چندین مرکز، کار بر روی لیزرهای الکترون آزاد میکروموجی را شروع کردند. تازه در سال 1987 بود که اولین لیزر الکترون آزاد نور مرئی در دانشگاه پاریس ساخته شد از آن موقع تا کنون تنها در روسیه و همچنین دانشگاه استانفورد و بخش های فضایی شرکت بوئینگ لیزر الکترون آزاد که نور مرئی گسیل می کند ساخته شده است.

5 -    تفاوت عمده ليزر معمولي وFEL

1-در لیزر های معمولی‌ با فرض وجود دانسيته يكسان محيط فعال و دمش يكنواخت، بهره محيط به مكان اتم ها و يا جهت حركت موج الكترومغناطيسي بستگي ندارد،ولي در FEL الكترونهايي كه در طول سيستم حركت مي كنند در امواج اسير مي شوند و با آنها به حركت در مي آيند. لذا بهره محيط به جهتي كه موج الكترومغناطيس در محيط حركت مي كند وابسته ميشود. 

2-طول موج  FEL به پارامتر هاي خارجي (پريود ويگلر_w                          ،انرژي الكترونها     و ...)بستگي دارد لذا بر خلاف ليزر هاي معمولي كه ساختار ثابت اتمي تعين كننده طول موج تابشي مي باشند، يك سيستم ثابت FEL  مي تواند از توانايي تغير فركانس بر خوردار شود.

3- اختلاف ديگر در درجه همدوس FEL  است كه عمدتاً ناشي از تعداد محدود n پريود ميدان ويگلر در طول مسير تابش الكترونها است كه تشابهي با درجه همدوسي ليزر هاي معمولي ندارد.

4- در FEL كار يك الكترون با تابش يك فوتون خاتمه نمي يابد بلكه ميتواند چندين فوتون تابش نمايد، چرا كه افت الكترون به تراز پاييني در اينجا وجود ندارد.

6 -      کاربردهای لیزر الکترون آزاد

در حال حاضرکار روی  لیزرهای الکترون های آزاد هم در طول موجهای مرئی و هم در طول موجهای میلی متری ادامه دارد. هدف اصلی پژوهشگران رسیدن به توانهای بیشتر و طول موجهای کوتاهتر است. نیل به این هدفها مستلزم پیشرفتهایی است در طراحی شتابدهنده الکترون، تا بتواند باریکه هایی شدیدتر و یکنواخت تر تولید کند و همچنین در طراحی ویگلر، تا بتواند انرژی بیشتری از الکترون ها بگیرد و آن را برای طول موج های کوتاه تر نور هماهنگ نماید.

کاربرد لیزر های الکترون آزاد، حتی در وضع ناکامل فعلی، به عنوان چشمه های پر توان تپی[16] و پیوسته نور مرئی و فرو سرخ در کارهای پژوهشی شروع شده است. لیزرهای الکترون آزاد به خصوص برای جراحی مناسب اند، از این لیزر ها میتوان هم برای بریدن و هم برای انجام عمل فوتون – جوش (انعقاد از طریق داغ کردن) استفاده کرد. برای بریدن معمولا نور فروسرخ سه میکرونی لازم است اما برای جوش دادن به طول موجهایی میان صفر تا یک و نیم میکرون نیاز است، علی الاصول لیزر الکترون آزاد را میتوان در حین عمل جراحی، بنا به ضرورت، روی طول موجهای کوتاه و بلند تنظیم کرد، دستگاه پرقدرت استانفورد برای مطالعه کاربرد های جراحی بسیار مناسب است این لیزر بافت نرم و همچنین استخوان را خیلی سریع گرم میکند و پلاسمای فراگرم به وجود می آورد.

در مقایسه با لیزر های فعلی، لیزر الکترون آزاد با توان زیاد و تپهای کوتاه امکان میدهد که زخمها سریعتر التیام پیدا کنند و آثار آنها محدود تر شود. علاوه بر کاربرهای پژوهشی، لیزر الکترون آزاد در زمینه هایی چون مخابرات، رادار و گرم کردن پلاسما قابل استفاده است. لیزر الکترون آزاد میتواند منبع پرقدرتی برای تابش امواج  میلی متری و میکرونی برای رادار بلند – برد با تفکیک  زیاد باشد. کاربرد بحث انگیزتر لیزر های الکترون آزاد با توان زیاد و تپ بلند در امور نظامی – از جمله در انهدام موشکهای بالستیک- است ، طراحان  این نوع سلاح یک پایگاه لیزری زمینی در مقیاس بزرگ پیش بینی میکنند که میتواند به کمک آینه های مستقر در زمین و در مدار جو، نور را روی هدف هدایت کند. لیزرهای الکترون آزاد در این کاربردها ، تا رسیدن به بلوغ تکنیکی راه طولانی در پیش دار ند.

7 - ویگلرها

وظیفه اصلی یک ویگلر عبارت است از دادن یک حرکت نوسانی عرضی به باریکه الکترون تا اینکه با تابشی که باید تقویت شود برهم کنش کند. ویگلرها بر چند نوع هستند که عبارتند از :

7-1- ویگلرمارپیچ[30] :

ميدان مغناطيسي آن توسط سيم پيچ هاي حامل جريان توليد مي شود كه شدت ميدان وقتي كه درجهت شعاع،از محور تقارن  دور مي شويم ،افزايش مي يابد و در نتيجه يك ميدان مغناطيسي كانوني كننده  براي مهار باريكه در مقابل نيروهاي دافعه بين الكتروني فراهم مي كند. ميدان ويگلر مارپيچي از عبور جريان از داخل مسير مارپيچي بوجود مي آيد بطوريكه وقتی از محور دور مي شويم ميدان افزايش مي يابد . در چنين ميداني الكترونها وادار به حركت مار پيچي حول محور مي باشند . بنابرين در مختصات استوانه اي پتانسيل اسكالر مغناطيسي ناوردا است و اين پتانسيل معادله لاپلاس را ارضاء ميكند.

7-2- ویگلر واقعی[31] :

برای توضیح اساس فیزیکی لیزر الکترون آزاد ما حالت ایده آل را در نظر می گیریم که در آن میدان ویگلر ناهمگنی عرضی ندارد (ویگلر ایده آل). اما در عمل این ناهمگنی وجود دارد و تاثیر مهمی بر عملکرد لیزر الکترون آزاد دارد (ویگلرهای واقعی).

مهمترین اثر وقتی ظاهر می شود که میدان ویگلر در طول قطر باریکه الکترون تغییر کند و در این حالت پاسخ الکترون به میدان ویگلر در عرض باریکه تغییر خواهد کرد. در عمل این بدان معناست که الکترونی که در مرکز باریکه قرار دارد میدان متفاوتی از الکترونی که در لبه باریکه قرار دارد را احساس خواهد کرد و دو الکترون مسیرهای متفاوتی خواهند داشت. در نتیجه این اثر ، الکترون های کمتری از باریکه در عمل تشدید موج – ذره شرکت خواهند کرد.

7-3- ویگلر تخت[32] :

در این نوع ویگلر میدان مغناطواستاتیک توسط یک سری از آهن رباهای دائمی تولید می شود. طراحی و تنظیم این نوع ویگلر آسان است. ولی شدت میدان بزرگتری در این نوع ویگلر نسبت به ویگلرهای دیگر لازم است. همچنین در این نوع ویگلرها مولفه های طولی و عرضی سرعت، نوسانی است. که به دلیل نوسانی بودن این سرعت ها دیگر مسیرهای حالت پایا را نخواهیم داشت در واقع مسیرهایی که در این نوع ویگلر داریم، مسیرهایی شبه پایا هستند. شرط تشدید موج – ذره تنها بوسیله متوسط گیری در سراسر جریان ویگلر صورت خواهد گرفت و این نشانگر این است که تداخل می تواند توسط ریشه مجذور میانگین میدان ویگلر اداره شود. پس میدان ویگلر به شدت کاهش می یابد و برای رفع این حالت شدید، میدان مغناطیسی باید زیاد باشد، تا کاهش میدان در طی فرآیند تشدید جبران شود.

7-4-ويگلرباريك شونده[33] تخت و مارپيچي :

در مدت برهمكنش  الكترون  با موج نوري ،الكترون به موج انرژي مي دهد و درنتيجه سرعت محوري الكترون كم مي شود. وقتي كه الكترون به اندازه كافي انرژي از دست داد خارج از حالت تشديد با موج قرار مي گيرد و واكنش متوقف مي شود زيرا صرفا مولفه محوري سرعت الكترون در رابطه تشديد وارد مي شود . هدف از يك ميدان مغناطيسي باريك شونده ، انتقال انرژي از حركت عرضي باريكه به حركت محوري مي باشد ، تا اينكه شرط تشديد موج – ذره در يك ناحيه وسيع حفظ شود، به اين ترتيب با آنكه باريكه الكترون به موج نوري انرژي مي دهد و آنرا تقويت مي كند ، حركت پيش رونده باريكه حفظ مي شود .در ويگلر باريك شونده ، دامنه يا دوره ويگلر در جهت محور تغيير مي يابد . علاوه بر آن يك ميدان سولنوئيدي كاهش يابنده محوري مي توان براي اين منظور بكار رود .

7-5-ويگلرالکترومغناطیس :

لیزر الکترون آزاد از باریکه الکترونی نسبیتی که از میدان مغناطیسی عرضی برای تقویت تابش استفاده می شود، استفاده می کند. محدودیتهای تکنیکی روی لیزر الکترون آزاد مرسوم محققان را بر این امر تشویق می کند تا لیزر الکترون آزادی که با ویگلر الکترومغناطیسی کار می کند را مورد مطالعه قرار دهند که امکان دسترسی به مقادیر کوچکتری از طول موج را می دهد. یکی از مشکلات اصلی لیزر الکترون آزاد که با ویگلر الکترومغناطیس کار میکند، نیاز آن به استفاده از پمپ قوی می باشد. یکی از روشهای فائق آمدن براین مشکل استفاده از دو باریکه الکترونی است.در این حالت از یک موج الکترومغناطیس که دارای میدان الکتریکی و مغناطیسی هم زمان است به عنوان ویگلر استفاده می شود .

8 - رژیمهای کاری لیزر الکترون آزاد

لیزر الکترون آزاد در چند رژیم مختلف کار می کند که هر یک دارای اصول جداگانه ای است و در اینجا شرح مختصری از این رژیمها ارائه می دهیم .

1-  رژیم کامپتون :

لیزر الکترون آزادی که با جریان اشعه الکترونی کم ، انرژی الکترونی بالا و طول موج خروجی نسبتاً کوتاه کار می کند در رژیمی قرار می گیرد به نامهای رژیم کامپتون ، لیزر الکترون آزاد دو موج ، لیزر الکترون آزاد تداخلی یا اندرکنش ذره منفرد مشهور است  .

2- رژیم کامپتون اشعه گرم :

اگر اشعه الکترونی خیلی گرم باشد ، توان و تقویت افت می کند ولی با این وجود شدت موج الکترومغناطیسی در طول ویگلر باز هم بصورت نمائی افزایش می یابد که به این شرایط کاری ، رژیم کامپتون اشعه گرم گفته می شود .

3- رژیم رامان :

لیزرهای الکترون آزادی که در آنها شدت موج الکترومغناطیسی به صورت نمائی افزایش می یابد در رژیمی کار می کنند که دارای طول موج بلند (  ) ، انرژی پایین الکترونی (کمتر از 5 Mev) و جریان الکترونی زیاد ( بزرگتر از 1000 A/cm²) می باشند . این دسته دارای ضریب تقویت بالایی هستند .اگر اشعه الکترونی سرد باشد(توزیع اندازه حرکت الکترونها بقدر کافی کوچک باشد) و میدان ویگلر ضعیف باشد ، به آن رژیم رامان می گویند . لازم به ذکر است که لیزر الکترون آزاد که در رژیم رامان کار می کند یک دستگاه سه موج است ، بطوریکه الکترون با سه موج الکترومغناطیسی ، ویگلری و امواج پلاسمایی(بار-فضا) اندرکنش می نماید.به لیزر الکترون آزاد رامان،  لیزر الکترون آزاد سه موج و اندر کنش چند ذره ای نیز گفته می شود .

لیزر الکترون آزاد هنگامی در رژیم چند ذره ای کار می کند که طول دستگاه زیاد بوده و جریان اشعه الکترونی زیاد باشد ، بطوریکه چندین نوسان پلاسمایی وجود داشته باشد . دراین شرایط حد بالایی برای انرژی الکترونها و حد پایینی برای طول موج ، وجود ندارد .

4- رژیم پمپینگ قوی :

اگر میدان ویگلر افزایش یابد ضریب تقویت نیز افزایش می یابد که به این رژیم کاری ، رژیم پمپینگ قوی گفته می شود .

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: