Lasern Freie-Elektronen-Laser tatsächlich?

FELs erzeugen einen kohärenten, monochromatischen, intensiven Lichtstrahl, der mit einer Iris (im Grunde ein Loch in einem großen Bleiblock) kollimiert werden kann.

Ein optischer Resonator kann angeordnet werden, indem zwei Spiegel um die Undulatoren herum angeordnet werden, die so beabstandet sind, dass jeder Durchgang der Elektronen konstruktiv interferiert ( gehen Sie hier und klicken Sie auf Film über die Funktionsweise von HIGS ansehen , um einen Film zu sehen, der demonstriert, wie der Duke FEL so etwas tut, mit einem Compton Backscatter hinzugefügt).

Ist diese stimulierte Emission im atomphysikalischen Sinne? Nein . Erzeugt es einen Lichtstrahl, der einem Laser so ähnlich ist, dass er als solcher klassifiziert werden kann? Die meisten Physiker, mit denen ich interagiert habe, sagen ja.

Ihnen fehlt ein entscheidender Aspekt der Dynamik eines Freie-Elektronen-Lasers: Microbunching. Dies kommt von der Tatsache, dass Elektronen mit unterschiedlichen Energien zwar im Grunde die gleiche Geschwindigkeit haben$c$haben sie im Undulator unterschiedliche Schwingungsamplituden, verschieben sich also längs.

Da Sie den SASE- Mechanismus erwähnt haben, lassen Sie mich darauf eingehen: Das Rauschen in der anfänglichen Elektronenverteilung garantiert Ihnen einige Spitzen, die anfangen, kohärent zu strahlen (die Leistung, die mit$N^2$). Wenn die Strahlung durch das Bündel gleitet (denken Sie daran, dass Photonen geradeaus gehen, während Elektronen wackeln), tauscht sie Energie mit ihm aus und löst Energiemodulationen aus. Aber wie wir zuvor gesehen haben, führen diese zu einer Längsverschiebung, weshalb wir zusätzliche Dichtemodulationen bei der Strahlungswellenlänge erhalten.

Das Ergebnis ist, dass sich Ihr anfänglich langes Bündel langsam in eine Reihe sehr kurzer (Mikro-) Bündel aufteilt, die alle kohärent strahlen, mit einem großen Anstieg der Strahlungsintensitätsverstärkung. Natürlich kann das Microbunching nicht endlos weitergehen, sondern es kommt zur Sättigung, wo die Dynamik stark nichtlinear wird und die Verstärkung gestoppt wird.

Daher haben Sie sicherlich Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung : Die anfängliche Strahlung stimuliert Mikrobündelung , was zu noch mehr Strahlung führt, offensichtlich ist dies nicht die Standardinterpretation der Atomphysik, aber im allgemeinen Englisch passt es perfekt. Die Besetzungsinversion kann man im Mikrobündelungsfaktor sehen: der anfängliche, mehr oder weniger gleichmäßige Strahl wird vollständig "umgekehrt", während, solange sich das Mikrobündelung entwickelt, dieser bis zur Sättigung verloren geht.

Zum Nachlesen (und auch Quelle des schönen Bildes): FEL@Desy.de (Menü links benutzen)

Wenn Sie „Populationsinversion“ als wesentlichen Bestandteil der Definition dessen verwenden, was ein Laser ist, dann haben Sie Recht, es ist kein Laser. Aber das leugnet nicht, dass die Eigenschaften von Licht nur Licht von jedem "Laser" sein können. Das ist also ein bisschen ein semantisches Problem und weniger eine Frage der Physik.

Einige andere kohärente Lichtquellen ohne Laser: Optisch-parametrischer Oszillator, Laser ohne Inversion usw

Ein Freie-Elektronen-Laser (FEL) ist ein parametrischer Verstärker, das durch Übertragung von Energie auf das Ausgangssignal (Photonenimpuls) eines Oszillators (Elektronenpaket, das einen langen Undulatormagneten hinunterläuft) arbeitet. Ein Elektronenpaket wird auf relativistische Energien beschleunigt und durch eine periodische magnetische Struktur (Undulator) geschickt, wo Querschwingungen und Interferenzen Synchrotronstrahlung erzeugen, die bei bestimmten Wellenlängen verstärkt wird. Die Intensität dieser Strahlung skaliert mit der Anzahl der Elektronen im Bündel. Photonen breiten sich gemeinsam mit den relativistischen Elektronen aus und induzieren, wenn der Undulator lang genug ist, eine signifikante Energiemodulation im Elektronenbündel, was zu einer periodischen Dichtemodulation der Elektronenwolke führt (Mikrobündelung). Die resultierenden Mikrobündel verhalten sich wie riesige geladene Teilchen, und emittieren Photonen proportional zum Quadrat ihrer Gesamtladung bei Wellenlängen länger als die Bündellänge. Ein Freie-Elektronen-Laser ist also kein Laser im üblichen Sinne des Akronyms, sondern ein parametrischer Verstärker, der produziertkohärente Strahlungspulse .

Beachten Sie, dass es aufgrund der Notwendigkeit von Mikrobündelung für den Betrieb eines FEL heute keinen FEL gibt, der wirklich kontinuierliche Photonenstrahlen als Funktion der Zeit erzeugen kann.

Obwohl die ursprüngliche Bedeutung von Laser von der Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission herrührt, kommt die derzeitige "allgemeine" Bedeutung von Laser davon , dass kohärentes Licht Laserlicht ist, und daher ist alles, was kohärentes Licht erzeugt, ein Laser . Lasern FEL also? Nein, sind das Laser? Ja.