¿Los láseres de electrones libres realmente emiten láser?

Los láseres de electrones libres son dispositivos que utilizan el movimiento de haces de electrones de alta energía para producir una radiación brillante y coherente en el régimen de rayos X. Más específicamente, comienzan con un haz de electrones de alta energía y lo introducen en un ondulador , que es una matriz de campos magnéticos alternos diseñados para hacer que el haz de electrones se mueva en una trayectoria en 'zigzag' con giros bruscos a cada lado, emitiendo radiación de sincrotrón . durante cada turno.

La radiación así producida se suma en vueltas sucesivas y se produce de manera coherente a través de una emisión espontánea autoamplificada .

Una pregunta común que se plantea con frecuencia sobre esta configuración es: ¿es realmente un láser? Es decir, ¿tiene inversión de población y la radiación se emite realmente a través de una emisión estimulada en alguna comprensión adecuada de la misma? Las personas que saben tienden a responder afirmativamente, pero todavía tengo que ver una buena explicación de por qué, y definitivamente no en línea. Entonces: ¿los FEL realmente son láser?

Creo que estás haciendo un muy buen punto allí. La teoría habitual de los FEL es clásica o semiclásica, como máximo. Intenté encontrar un artículo con un tratamiento QFT adecuado hace un momento y me taché. Sí creo recordar que alguien había publicado tal modelo para canalizar, que, creo, debería ser similar. Si puedo agitar una mano de espuma gigante... ¿podría ser que un tratamiento completo dé lugar a un estado de cuasipartículas de electrones y fotones que puede tener un espectro discreto con inversión de población, después de todo?
@user1717828: todos los láseres se pueden sintonizar hasta cierto punto ajustando el resonador. El medio láser es simplemente un amplificador, aunque uno de ancho de banda estrecho para muchos tipos de materiales láser, pero el resonador establece las longitudes de onda reales en el haz (y la mayoría de las veces es más de uno para dispositivos espectralmente no controlados). Esto no es diferente para los láseres de electrones libres y no es lo que causa el problema conceptual aquí.
Entiendo que los electrones irradiarían Bremsstrahlung en cualquier caso, por lo que en realidad no se puede hablar de emisión estimulada. La interacción entre los rayos X y los electrones parece lograr la monocromaticidad y la coherencia de los rayos X (al eliminar todo menos una banda estrecha de velocidades de los electrones y microagrupaciones), pero en realidad no estimula la emisión. Entonces es más un LAMER (amplificación de luz por emisión modulada de radiación).
@Federico No creo que sea la primera persona en verbo 'láser', pero me gusta verbo. Como dicen, verbos raros en lenguaje :).

Respuestas (5)

Los FEL producen un haz de luz intenso, monocromático y coherente que se puede colimar con un iris (básicamente, un agujero en un gran bloque de plomo).

Se puede organizar una cavidad óptica colocando dos espejos alrededor de los onduladores, espaciados de modo que cada paso de los electrones interfiera constructivamente ( vaya aquí y haga clic en Ver una película sobre cómo funciona HIGS para ver una película que demuestra que Duke FEL hace algo como esto, con un retrodispersión Compton añadida).

¿Es esta emisión estimulada en el sentido de la física atómica? no _ ¿Produce un haz de luz tan similar a un láser que se puede clasificar como tal? La mayoría de los físicos con los que he interactuado dicen que sí.

Creo que no se les permitiría llamarlos láser si los expertos en láser no se sintieran cómodos llamándolos así, pero ¿tiene alguna fuente para el último párrafo?
@Mindwin Soy físico. Todos los físicos e ingenieros con los que he trabajado (y hemos trabajado con láseres y FEL) no tienen ningún problema en agrupar FEL con láseres. La salida es ciertamente estimulada aunque no sea una emisión estimulada :-).
@Mindwin, solo tengo la misma respuesta que Carl: todos los físicos que conozco tratan las instalaciones FEL como instalaciones láser. Consulte la página 63 aquí para obtener una "corroboración anecdótica", pero eso no debería aliviar sus preocupaciones sin visitar un laboratorio láser usted mismo.
@CarlWitthoft exactamente lo que estaba tratando de decir. Si los expertos en láser llaman a FEL "láser", ¿quién soy yo para no estar de acuerdo?

Te estás perdiendo un aspecto crucial de la dinámica de un láser de electrones libres: el microagrupamiento. Esto se debe al hecho de que aunque los electrones a diferentes energías comparten básicamente la misma velocidad C , tienen diferentes amplitudes de oscilación en el ondulador, por lo que se desplazan longitudinalmente.

Como mencionaste el mecanismo SASE , déjame ampliarlo: el ruido en la distribución inicial de electrones te garantizará algunos picos que comenzarán a radiar coherentemente (la potencia que va con norte 2 ). A medida que la radiación se desliza a través del grupo (recuerde que los fotones van en línea recta, mientras que los electrones se mueven), intercambia energía con ella, lo que desencadena modulaciones de energía. Pero, como vimos antes, esto da como resultado un desplazamiento longitudinal, por lo que obtenemos modulaciones de densidad adicionales en la longitud de onda de la radiación.

El resultado es que su grupo inicialmente largo se divide lentamente en varios (micro) grupos muy cortos, todos ellos irradiando coherentemente, con un gran impulso en la ganancia de intensidad de radiación. Por supuesto, el microagrupamiento no puede continuar indefinidamente, de hecho, llega a la saturación, donde la dinámica se vuelve fuertemente no lineal y la ganancia se detiene.

Mientras se desarrolla el microagrupamiento, la radiación aumenta hasta la saturación.

Por lo tanto, seguro que tiene amplificación de luz por emisión estimulada de radiación : la radiación inicial estimula el microagrupamiento que conduce a aún más radiación, obviamente esta no es la interpretación estándar de la física atómica, pero en inglés común encaja perfectamente. La inversión de población se puede ver en el factor de microbunching: el haz inicial, más o menos uniforme, se "invierte" completamente, mientras que, a medida que se desarrolla el microbunching, este se pierde hasta la saturación.

Para leer algo (y también la fuente de la bonita imagen): FEL@Desy.de (usa el menú de la izquierda)

Muy bien que señale el microbunching como parte esencial del proceso FEL. Tenga en cuenta que "emisión estimulada" es un término técnico fijo que describe la emisión preferida en estados bosónicos altamente poblados y, por lo tanto, el FEL no hace emisión estimulada.
@Neuneck Me parece bastante natural que no puede haber estados bosónicos dentro de un grupo de electrones libres. Si miras de esta manera, el nombre FEL es en sí mismo una contradicción. En cambio, creo que es apropiado tanto por el hecho de que a partir de unos pocos fotones se obtiene una gran cantidad de fotones, como por las propiedades de la radiación resultante. Solo necesita estirar un poco las definiciones para abarcar los diferentes mecanismos.

Si usa la "inversión de población" como una parte esencial de la definición de qué es un láser, entonces tiene razón, no es un láser. Pero eso no niega que las propiedades de la luz puedan ser simplemente luz de cualquier "láser". Entonces, este es un problema de semántica y menos de física.

Algunas otras fuentes de luz coherentes "no láser": oscilador paramétrico óptico, láser sin inversión, etc.

Básicamente, lo que estás diciendo es: sí, la luz es una luz láser, pero no, el dispositivo no es un láser: D
Puedo tomar cualquier fuente de luz y convertir su salida de luz en una salida similar a la de un láser. De manera similar, puedo tomar un dispositivo láser y cambiar su salida de luz para que parezca que no es láser. Entonces, lo que digo es que las propiedades de la luz no son necesariamente atribuibles a sus fuentes.

Un láser de electrones libres (FEL) es un amplificador paramétrico, que funciona mediante la transferencia de energía a la señal de salida (pulso de fotones) desde un oscilador (grupo de electrones corriendo por un imán ondulador largo). Un grupo de electrones se acelera a energías relativistas y se envía a través de una estructura magnética periódica (ondulador) donde las oscilaciones transversales y la interferencia producen radiación de sincrotrón mejorada en longitudes de onda específicas. La intensidad de esta radiación escala con el número de electrones en el grupo. Los fotones se propagan conjuntamente con los electrones relativistas y, si el ondulador es lo suficientemente largo, inducen una modulación de energía significativa en el grupo de electrones, lo que conduce a una modulación periódica de la densidad de la nube de electrones (microagrupación). Los microracimos resultantes se comportan como partículas cargadas gigantes, y emiten fotones proporcionales al cuadrado de su carga total en longitudes de onda más largas que la longitud del grupo. Entonces, un láser de electrones libres no es un láser en el sentido habitual del acrónimo, sino un amplificador paramétrico que producepulsos de radiación coherentes .

Tenga en cuenta que debido a la necesidad de microagrupación para que funcione un FEL, hoy en día no hay FEL que pueda producir haces de fotones verdaderamente continuos en función del tiempo.

Aunque el significado inicial de láser proviene de Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, el significado "común" actual de láser proviene de que la luz coherente es luz láser y, por lo tanto, cualquier cosa que produzca luz coherente es un láser . Entonces, ¿FEL láser? No, ¿son láseres? Sí.

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