لیزر الکترون آزاد با باریکه بالا (High-Gain FEL)، در فیزیک (Physics)
انواع لیزرها (Laser) را در آموزش زیر شرح دادیم :
لیزر الکترون آزاد با باریکه بالا (High-Gain FEL) :
High-Gain FEL به لیزر الکترون آزادی اطلاق می شود که در آن بهره (gain) در یک پاس از ویگلر به قدری بالا است (چند هزار تا چند ده هزار) که تابش از نویز اولیه (گسیل خودبه خودی) تا حد اشباع رشد می کند، بدون نیاز به حفره نوری (آینه). این رژیم به عنوان SASE (Self-Amplified Spontaneous Emission) شناخته می شود. High-Gain FELها برای تولید تابش با طول موج کوتاه (فرابنفش و پرتو ایکس) که ساخت آینه برای آنها غیرممکن یا بسیار دشوار است، ضروری هستند.
مکانیزم: در یک High-Gain FEL، یک باریکه الکترونی با کیفیت بسیار بالا (امیتانس کم، پهنای انرژی کم) و چگالی جریان بالا وارد یک ویگلر طولانی (چند ده متر تا چند صد متر) می شود. در ابتدا، الکترون ها تابش خودبه خودی با طول موج های مختلف گسیل می کنند. این تابش با الکترون ها برهمکنش کرده و باعث ایجاد یک ساختار میکرو-خوشه بندی (microbunching) در باریکه می شود. خوشه بندی باعث می شود که الکترون ها به طور همدوس تابش کنند و شدت تابش به طور نمایی رشد کند. این رشد تا زمانی ادامه می یابد که به اشباع برسد، جایی که بیش از نیمی از الکترون ها انرژی خود را به میدان تابش داده اند.
مزایای High-Gain FEL: قابلیت دستیابی به طول موج های بسیار کوتاه (تا ۰٫۱ نانومتر و کمتر) که با لیزرهای معمولی غیرممکن است، توان پیک فوق العاده بالا (گیگاوات تا تراوات)، و پالس های فوق کوتاه (فمتوثانیه). این ویژگی ها High-Gain FEL را به ابزاری بی نظیر برای تحقیقات در زمینه های مختلف تبدیل کرده است.
چالش های اصلی: نیاز به باریکه الکترونی با کیفیت فوق العاده بالا (که تنها با شتاب دهنده های پیشرفته مانند RF linac با تفنگ های با کیفیت بالا قابل دستیابی است)، طول بسیار زیاد ویگلر (که هزینه ساخت را بالا می برد)، و نوسانات پالس به پالس (در رژیم SASE) که نیاز به تکنیک های تشخیصی پیچیده دارد. تأسیسات بزرگی مانند LCLS و European XFEL بر اساس این اصل کار می کنند.
