Stimulierte Emission in Freie-Elektronen-Lasern

Ich habe in diesen Tagen über Freie-Elektronen-Laser gelesen. Das Grundprinzip ist klar:

Im Undulator senden Elektronen spontan Synchrotronstrahlung aus. Es findet eine Selbstabstimmung statt, wodurch die Elektronen zu Paketen gebündelt werden, die ganzzahlige Wellenlängen voneinander entfernt sind. Somit ist die emittierte Strahlung kohärent.

Ich frage mich, ob dies nur eine spontane Emission ist (und die Kohärenz nur auf die Selbstabstimmung zurückzuführen ist) oder ob die stimulierte Emission tatsächlich eine Rolle spielt.

Antworten (1)

In einem FEL gibt es keine stimulierte Emission.

Der SASE-Prozess (Self-attuned spontane Emission) funktioniert wie folgt:

  1. Ein Elektronenbündel wird beschleunigt.
  2. Die Elektronen passieren einen ersten Undulator und erzeugen Licht vom Typ einer Synchrotronquelle.
  3. Licht und Elektronen strömen frei zusammen, da sich beide mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, gibt es eine Rückwirkung des Lichts auf die Elektronen. Dies ist die Selbstverstärkungsphase: Das (etwas) Elektronenpaket wird in mehrere hundert "Mikrobündel" zerschnitten, die auf Längenskalen in der Größenordnung von Mikrometern (daher der Name) komprimiert werden.
  4. Die Mikrobüschel passieren einen zweiten Undulator. Auch hier erzeugen sie Synchrotronlicht, aber die Dauer der Pulse ist die Länge des Mikrobündels dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit
    Δ T ≈ μ M C = 10 − 6 M 10 8 M S ∼ 10 − 14 S .
    Auf diese Weise kann ein FEL Lichtblitze im Femtosekunden-Zeitbereich erzeugen.
  5. Da jeder Microbunch sein Licht kohärent emittiert (Anmerkung: dies ist eine räumliche Kohärenz, keine Phasenkohärenz) sind die Spitzenintensitäten vergleichbar mit Festkörperlasern, weshalb diese Maschinen Freie-Elektronen-"Laser" genannt werden, obwohl es einen gibt kein "Lasern" im herkömmlichen Sinne.

All dies basiert vollständig auf der klassischen Elektrodynamik. Es gibt keine stimulierte Emission in einen stark besetzten bosonischen Zustand wie bei herkömmlichen Lasern.

Was ich oben beschreibe, ist der unseeded FEL-Prozess. Man kann Schritt 2 durch einen konventionellen Laser ersetzen, der das intensive Licht bereitstellt, das benötigt wird, um Microbunching zu induzieren.

Stimulierte Emission in Freie-Elektronen-Lasern
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