Láser d'electrones llibres

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Láser d'electrones llibres FELIX (Nieuwegein)

El láser d'electrones llibres o FEL (acrónimo de free-electron laser n'inglés) ye un láser que comparte les propiedaes óptiques de láseres convencionales, esto ye, la emisión d'un fexe coherente de radiación electromagnético que puede algamar una alta potencia, pero que se basa un principiu físicu totalmente distintu pa xenerar el fexe: En llugar d'escitar electrones a distintos niveles d'enerxía atómicos o moleculares, un FEL usa un fexe d'electrones aceleraos a velocidaes relativistes como mediu activu pa xenerar el láser; estos electrones nun tán amestaos a átomos, sinón que se mueven llibremente nun campu magnético, d'ende'l términu «electrón llibre».[1]

John Madey construyó'l primer láser d'electrones llibres en 1976. Anguaño esisten más d'una docena en funcionamientu o en construcción. Los láseres d'electrones llibres tienen el rangu de frecuencies más ampliu de tolos tipos de láser y son fácilmente sintonizables:[2] anguaño pueden llograse llargores d'onda nuna amplia parte del espectru electromagnéticu, dende les microondes, pasando pola radiación infrarroxo, lavisible, ultravioleta y hasta rayos X.[3] Estos preseos son útiles pa la investigación científica en física, química, bioloxía, el desenvolvimientu de nuevos materiales y teunoloxíes y tienen aplicaciones práutiques en medicina y l'industria militar.

Historia[editar | editar la fonte]

Diagrama d'operación del FEL

El láser d'electrones llibres foi inventáu por John Madey;[4] el primer prototipu foi construyíu na universidá de Stanford en 1976.[5] La inspiración pal inventu surdió de la investigación realizada por Hans Motz sobre los campos magnéticos periódicos conocíos como wigglers o onduladores, cruciales pa xenerar el mediu activu del láser d'electrones. Madey utilizó un fexe d'electrones con una enerxía de 24 MeV y un wiggler de 5 m de llargor p'amplificar la radiación. Al poco tiempu otros llaboratorios empezaron a construyir más láseres d'esti tipu. En 1992 empezar a considerar la posibilidá de construyir un FEL de rayos X. En 2009 empezó a funcionar el primeru, LCLS (LINAC Coherent Light Source) nel Llaboratoriu Nacional d'Aceleradores SLAC (California).[6] En 2011, poner en marcha SACLA (SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser) en Xapón,[7] ente que un terceru, el XFEL Européu, atópase en construcción n'Alemaña.

Creación del fai láser[editar | editar la fonte]

Ondulador de FELIX

Pa xenerar la lluz láser, acelérase un fexe d'electrones hasta qu'algama una velocidá cercana a la de la lluz. Los electrones traviesen un campu magnético periódicu tresversal, producíu por dos fileres d'imanes con orientación alternante de los polos. Esta configuración magnética conocer col nome de ondulador, porque los electrones que lu traviesen describen una trayeutoria sinusoidal. L'aceleración que los electrones esperimenten al siguir esta trayeutoria resulta n'emisión de Radiación de sincrotrón lluz o radiación sincrotrón. Esta radiación interactúa de la mesma col fexe d'electrones y causa qu'estos se dixebren en grupos bien concentraos separaos por una llargor d'onda de la radiación (microbunching). Los electrones asina arrexuntaos emiten en fase, colo cual les amplitúes de radiación emitida per cada electrón sumir y la so intensidá total ye'l cuadráu de la que se llograría nun ondulador convencional. Amás la intensidá amplificar exponencialmente a lo llargo del ondulador hasta que s'algamar un réxime de saturación, nel que los electrones empiecen a absorber tanta enerxía de la radiación como la que suministren; los FEL tán de normal diseñaos por que'l llargor del ondulador coincida col llargor na que se llega a la saturación.[8]

El procesu nel que'l campu electromagnético causante de la separación espacial de los grupos d'electrones ye por cuenta de la oscilación de los electrones mesmos, conozse como SASE —Self Amplified Spontaneous Emission o emisión bonal autu-amplificada—. Tamién puede causase la separación del fexe d'electrones inyectando un fexe de lluz coherente xuntu colos electrones (seeding n'inglés, o «semáu»).[9] Esisten dellos métodos alternativos pa efectuar el semáu, como la xeneración d'harmónicos d'alta ganancia —High Gain Harmonic Generation o HGHG— , nel que'l campu «grana» y el fexe d'electrones interactúan mientres un númberu de ciclos mientres los cualos la frecuencia de la lluz amontar a un harmónicu superior,[10] o la xeneración d'harmónicos por ecu —Echo-Enabled Harmonic Generation o EEHG—, qu'usa dos campos grana.[11][12] El FEL FERMI foi'l primeru n'implementar un sistema de semáu,[13] siguíu por LCLS.[14]

Aceleradores[editar | editar la fonte]

Ver tamién: Acelerador llineal
Cuadrupolo magnéticu en LCLS

El láser d'electrones llibre precisa l'usu d'un acelerador d'electrones blindáu con un escudu anti-radiactivu, una y bones los electrones aceleraos y la radiación qu'emiten son peligrosos. El aceleradores tán alimentaos por un klistrón, que rique un voltaxe bien alto. El fexe d'electrones tien que tar nun vacíu por que nun sía tremáu por materia o átomos presentes nel cuévanu del láser. El vacíu caltiense gracies a numberoses bombes a lo llargo del percorríu del fexe. Pa evitar que los electrones aceleraos esvalíxense y caltener la forma y tamañu del fai utilícense lentes electromagnétiques, como cuadrupolos y sextupolos.

Propiedaes del láser[editar | editar la fonte]

Llargor d'onda El

llargor d'onda de la lluz emitida puede afaese o sintonizar camudando la enerxía del fexe d'electrones o'l campu magnético del ondulador (por casu, variando la distancia ente los imanes)

Coherencia La radiación

SASE ye coherente espacialmente, pero non temporalmente, por cuenta de que primeramente los electrones nun irradien en fase. La coherencia temporal puede consiguise por aciu el semáu del fexe d'electrones.

Radiación pulsiada Una propiedá interesante d'estos

preseos ye que la radiación nun ye continua, sinón que ta dixebrada en pulsos d'una duración ente nano y femtosegundos. Esto facer apropiaos pa investigar procesos físicos o químicos que tienen llugar n'escales de tiempu bien rápides.

Rayos-X[editar | editar la fonte]

Imaxe de la seición del fexe de rayos X xeneráu pol láser d'electrones llibres LCLS

La construcción d'un FEL de rayos-X ye particularmente complicada, por cuenta de que'l fexe d'electrones debe de tar bien colimado y concentráu por que'l procesu de microbunching tenga llugar. Na práutica, llargores d'onda cerca d'un Ångström solo pueden llograse utilizando aceleratores llineales d'alta enerxía, como en SLAC (California) o DESY (Hamburgo)[15][16] En Spring-8, el FEL SACLA utiliza un acelerador llineal d'altu gradiente combináu con onduladores de periodu curtiu.[17]Los preseos en funcionamientu basar na emisión bonal (SASE). En 2012, demostróse esperimentalmente la posibilidá d'usar la mesma emisión del FEL pa empecipiar el procesu de multibunching, un procesu llamáu self-seeding o «autosembrado», que dexa xenerar lluz totalmente coherente de llargor d'onda curtia.[14]

Usos y aplicaciones[editar | editar la fonte]

Medicina[editar | editar la fonte]

El doctor Glenn Edwards y los sos colegues del centru FEL de la universidá de Vanderbilt afayaron en 1994 que los texíos blandos como la piel, córnea y el texíu cerebral puédense seccionar usando un FEl de llargores d'onda infrarroxes d'unos 6,45 micrómetros, ensin apenes infligir daños nel texíu circundante. En 1999, un equipu médicu de Vanderbilt realizó la primer operación nun ser humanu pa extirpar un tumor cerebral usando un láser d'electrones llibres.[18] Dende entós hubo dellos proyeutos de construcción de láseres pulsiaos de pequeñu tamañu sintonizables ente llargores d'onda de 6 y 7 micrómetros pa operar en texíu blandu ensin estropiar les zones circundantes.

En 2006, el doctor Rox Anderson, del Llaboratoriu Wellman de Fotomedicina de la Escuela Médica de Harvard y del Hospital Xeneral de Massachusetts presentó les primeres resultancies del usu del láser d'electrones llibres pa destruyir el texíu graso subcutáneu ensin estropiar la piel.[19] Ente que les radiaciones infrarroxes calecen l'agua, con llargores d'onda de 915, 1210 y 1720 nanometros, los lípido calécense más que l'agua. Esta sensibilidá a la fototermólisis (termólisis por lluz) de los texíos adiposos a determinaos llargores d'onda puede utilizase pa tratar el acné, destruyir los lípidos causantes de la celulitis y l'escesu de grasa corporal, según les plaques arteriales que pueden dar llugar a la ateroesclerosis y enfermedaes cardiovasculares.[20][21]

Usos militares[editar | editar la fonte]

La Armada de los Estaos Xuníos ta evaluando la teunoloxía de láseres d'electrones llibres como misiles y armamentu anti-aereu. Fíxose enforma progresu n'alzar la potencia del láser, hasta llegar percima de los 14kW.[22] Créese posible poder construyir láseres compactos d'una potencia de multi-megavatios pa fines militares.[23] En 2009 la Oficina d'Investigación Naval anunció que concediera a Raytheon un contratu pal desenvolvimientu d'un FEL esperimental de 100 kW.[24] En marzu de 2010, la compañía Boeing concluyó un diseñu inicial pa la Armada de los Estaos Xuníos;[25] La finalización del prototipu capaz d'operar a plena potencia ta prevista pa 2018.[26]

Ciencia de materiales y bioloxía[editar | editar la fonte]

Reconstrucción de la estructura tridimensional d'una molécula nun FEL de rayos X (simulación). Con un pulsu d'unes poca decenes de femtosegundos ye posible xenerar un patrón de difracción antes de la total destrucción de la molécula pol fexe.

A llargores d'onda llargues, los láseres d'electrones llibres utilizar pa esquizar la propiedaes dinámiques de materiales llueñe d'estaos d'equilibriu. Llográronse resultancies importantes n'electroóptica, —disciplina qu'estudia'l cambéu de les propiedaes óptiques de los materiales sometíos a un campu eléctrico intensu—, control d'estaos cuánticos coherentes de los electrones, d'importancia pal desenvolvimientu de la computación cuántica, y física de materiales.

Nel réxime del espectru ultravioleta destaquen les aplicaciones nel campu de la microscopía electrónica d'emisión, nes que'l fai láser utilizar pa escitar fotoelectrones de la superficie de diversos materiales; l'analís d'estos electrones resulta n'importante información sobre les propiedaes de la superficie, que resulten importantes p'aplicaciones nanoteunolóxiques.[27]

Los fexes ultravioletes y de rayos-X de femto y picosegundos de duración utilizar pa investigar en detalle reacciones químiques y transiciones ente estaos atómicos y moleculares que tienen llugar nuna escala temporal similar a la duración del pulsu del láser.[28]

En 2011 reconstruyéronse les primeres imáxenes de la estructura tridimensional de macromoléculas biolóxiques a partir de los patrones de difracción de partícules víriques y nanocristales de proteínes nel FEL de rayos X de Stanford. Estos esperimentos son difíciles o imposibles de realizar n'otres fontes de rayos-X, como los sincrotrones, demasiáu débiles pa producir diffracción a partir d'amueses de tan pequeñu tamañu.[29]

Láseres de rayos X atómicos[editar | editar la fonte]

Los láseres d'electrones de rayos X faen posible el llogru de lluz láser d'alta enerxía por aciu el procesu de inversión de población xeneráu pola ionización de los electrones del orbital atómicu de mayor enerxía. Esti procesu, descritu teóricamente en 1967 demostrar por primer vegada disparando a una cápsula de neón con un fexe de rayos X del LCLS. La resultancia ye un fexe bien monocromático, con un llargor d'onda de 1,46 nm con coherencia espacial y temporal. Esti tipu de láseres atómicos pueden ser bien útiles pa esperimentos espectroscópicos d'altu resolvimientu y estudios d'efectos ópticos non llineales.[30][31]

Ver tamién[editar | editar la fonte]

Referencies[editar | editar la fonte]

  1. «Sistemes láser específicu». Consultáu'l 27 de marzu de 2011.
  2. (1995) «9», en F. J. Duarte: Tunable Lasers Handbook (en inglés). Academic, New York.
  3. «New Yera of Research Begins as World's First Hard X-ray Laser Achieves "First Light"» (inglés). Consultáu'l 27 de marzu de 2011.
  4. Madey, John. (en inglés)Journal of Applied Physics 42. 
  5. Deacon, D.A.G.. (en inglés)Physics Review Letters 38. 
  6. Hand, Eric (7 d'ochobre de 2009). «X-ray free-electron lasers fire up» (en inglés). Nature 461. 
  7. «Cutting-Edge X-Ray Free Electron Laser Facility Unveiled in Japan» (inglés). ScienceDaily (11 d'abril de 2011). Consultáu'l 26 de xunetu de 2011.
  8. Margaritondo, Giorgio (2011). «A simplified description of X-ray free-electron lasers» (en inglés). Journal of Synchrotron Radiation 18. 
  9. Huang, Zhirong (2007). «Review of x-ray free-electron laser theory» (en inglés). Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams 10. http://prst-ab.aps.org/abstract/PRSTAB/v10/i3/y034801. 
  10. «Seeded Free Electron Lasers» (inglés). Hemlholz-Zentrum Berlin. Archiváu dende l'orixinal, el 4 d'abril de 2009. Consultáu'l 10 d'avientu de 2012.
  11. «A novel principle of seeded free electron lasers demonstrated at SINAP» (inglés). Shanghai Synchrotron Radiation Facility. Consultáu'l 10 d'avientu de 2012.
  12. Zhao, Z. T. et a la publicación = Nature Photonics (en inglés). First lasing of an echo-enabled harmonic generation free-electron laser. 6. doi:10.1038/nphoton.2012.105. http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n6/full/nphoton.2012.105.html. 
  13. «FERMI light source» (inglés). Elettra-Sincrotrone Trieste (19 d'abril de 2012). Consultáu'l 10 d'avientu de 2012.
  14. 14,0 14,1 Amann, J. et a la páxines= 693–698. «Demonstration of self-seeding in a hard-X-ray free-electron laser» (en inglés). Nature Photonics 6. doi:10.1038/nphoton.2012.180. http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n10/pdf/nphoton.2012.180.pdf. 
  15. «What is LCLS» (inglés). Consultáu'l 4 d'abril de 2011.
  16. R. Brinkmann, K. Flöttmann, J. Roßbach, P. Schmüser, N. Walker, H. Weise (ed.): «TESLA Technical Design Report. PART II: The Accelerator».
  17. Ishiwaka, T. et a la publicación = Nature Photonics (en inglés). A compact X-ray free-electron laser emitting in the sub-ångström region. 6. doi:10.1038/nphoton.2012.141. http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n8/full/nphoton.2012.141.html. 
  18. «Laser light from Free-Electron Laser used for first time in human surgery». Consultáu'l 5 d'abril de 2011.
  19. «BBC health» (inglés) (10 d'abril de 2006). Consultáu'l 6 d'abril de 2011.
  20. «Dr. Rox Anderson treatment» (inglés). Consultáu'l 7 d'abril de 2011.
  21. «Crean un rayu láser pa esaniciar la grasa ensin estropiar la piel». Consultáu'l 7 d'abril de 2011.
  22. «Jefferson Lab FEL». Archiváu dende l'orixinal, el 10 d'abril de 2011. Consultáu'l 7 d'abril de 2011.
  23. «Airbourne megawatt class free-electron laser for defense and security» (inglés). Consultáu'l 7 d'abril de 2011.
  24. «Raytheon Awarded Contract for Office of Naval Research's Free Electron Laser Program» (inglés). Archiváu dende l'orixinal, el 11 de febreru de 2009. Consultáu'l 7 d'abril de 2011.
  25. «Boeing Completes Preliminary Design of Free Electron Laser Weapon System» (inglés). Consultáu'l 7 d'abril de 2011.
  26. «Breakthrough Laser Could Revolutionize Navy's Weaponry» (inglés). Fox News. Consultáu'l 7 d'abril de 2011.
  27. Edwards, G.S.. «Applications of Free-Electron Lasers in the Biological and Material Sciences» (en inglés). Photochemistry and Photobiology 81. Archivado del original el 4 de marzu de 2011. https://web.archive.org/web/20110304231741/http://www.fel.duke.edu/papers/appl_fel_2005.pdf. Consultáu 'l 26 de xunetu de 2011. 
  28. «Ultrafast Lasers: Free electron lasers thrive from synergy with ultrafast laser systems» (inglés). Consultáu'l 28 de xunetu de 2011.
  29. Gerstner, Ed. «Free-electron lasers: X-ray crystallography goes viral» (en inglés). Nature Physics 7. http://www.nature.com/nphys/journal/v7/n3/full/nphys1950.html. Consultáu 'l 28 de xunetu de 2011. 
  30. «Atomic inner-shell X-ray laser at 1.46 nanometres pumped by an X-ray free-electron laser» (en inglés). Nature 481,. doi:10.1038/nature10721. 
  31. SLAC National Accelerator Laboratory (25 de xineru de 2012). «Scientists Create First Atomic X-ray Laser» (inglés). Consultáu'l 2 de febreru de 2012.

Enllaces esternos[editar | editar la fonte]


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