¿Cuál es exactamente la diferencia entre una fuente de luz de sicrotrón y un láser de electrones libres?

La radiación de sincrotrón es la radiación proveniente de un haz de electrones que giran en un campo magnético. La aceleración angular induce la radiación de fotones que emergen tangencialmente a la curvatura del haz y son coherentes.

Radiación de sincrotrón de un imán de flexión

Este es el caso de los aceleradores de partículas para experimentos de dispersión de física de alta energía y es la principal pérdida de energía de los haces producidos. La radiación, aunque coherente, barre la geometría circular del haz y el espectro de frecuencia es grande.

El láser de electrones libres utiliza el efecto sincrotrón para crear un haz coherente de fotones lineales similar al de los láseres en su direccionalidad y coherencia. En cierto modo, el nombre es engañoso.

Representación esquemática de un ondulador, en el núcleo de un láser de electrones libres.

Para crear un FEL, un haz de electrones se acelera casi a la velocidad de la luz. El haz pasa a través del oscilador FEL, un campo magnético transversal periódico producido por una disposición de imanes con polos alternos dentro de una cavidad óptica a lo largo de la trayectoria del haz. Esta matriz de imanes se configura comúnmente como un ondulador, o un ondulador, porque obliga a los electrones en el haz a seguir una trayectoria sinusoidal. La aceleración de los electrones a lo largo de este camino da como resultado la liberación de fotones (radiación sincrotrón). Dado que el movimiento de los electrones está en fase con el campo de la luz ya emitida, los campos se suman de forma coherente.

Tanto la radiación de sincrotrón como la FEL tienen un acelerador de partículas para generar el haz, pero la FEL en la segunda etapa logra obtener un haz de fotones coherente cuyo rango de frecuencia y potencia se puede controlar.

La radiación de ciclotrón también emite luz de sincrotrón debido a la curvatura del campo, excepto que la trayectoria de los electrones no es circular sino espiral, y es manipulada por campos magnéticos variables. Esto permite la producción de un haz coherente cuyas frecuencias dependen de las frecuencias utilizadas para crear la trayectoria en espiral.

La radiación de ciclotrón tiene un espectro con su pico principal en la misma frecuencia fundamental que la órbita de la partícula y armónicos en factores integrales más altos. Los armónicos son el resultado de imperfecciones en el entorno de emisión real,

En cuanto a la diferencia entre onduladores y ondulantes: la radiación de sincrotrón tiene un ángulo de apertura característico (que va como$1/\gamma$). En un ondulador, el movimiento de los electrones en la dirección transversal se establece en el orden del ángulo de apertura. Sin embargo, en un movimiento ondulante, el movimiento se hace más grande que el ángulo de apertura y, por lo tanto, resulta un haz más ancho.

Referencias adicionales

1. Ross Schlueter, Wiggler and Ondulator Insertion Devices (Google Books)
2. Materiales del curso USPAS
3. Estudios de diseño e I+D de NGLS en LBNL, IPAC2012 (PDF)