در ليزرهاي رزينه‌اي الكترونها مقيد به يك اتم و يا يك مولكول هستند و يا در طول زنجيره‌اي از اتمها كه مولكول دو قطبي را تشكيل مي‌دهند، آزادي حركت دارند. نيز در ليزرهاي نيم رسانا الكترونها ميتواند كه در تمام حجم بلور حركت كنند. ولي در ليزر الكترون آزاد ، كه يكي از جديدترين و جالبترين انواع ليزرهاست، الكترونها بيشتر از موارد فوق الذكر آزادي حركت دارند.
در ليزر الكترون آزاد الكترونها آزادانه در يك ميدان مغناطيسي متناوب حركت مي‌كنند و در اثر برهمكنش ميدان الكترومغناطيسي با الكترونهايي كه در اين ساختار تناوبي در حركتند، فرآيند گسيل القايي رخ مي‌دهد. از نظر تاريخي ، ليزر الكترون آزاد اولين بار در سال 1951 بوسيله Mets پيشنهاد شد. اين ليزر قادر به كار در ناحيه طيفي مرئي و ماوراء بنفش هستند، ولي تا كنون اين ليزرها تنها در طول موج λ = 3/4µm عمل كرده است.
سينماتيك اندركنش الكترون آزاد- فوتون
ليزرهاي الكترون آزاد ، علت تشعشع انرژي الكترومغناطيسي ، شتاب الكترونها در ميدان متناوب است. نمونه مشابه براي چنين تشعشعي ، تشعشع سينكروترون الكترونهايي است كه در يك ميدان مغناطيسي حركت دايره‌اي انجام مي‌دهند ولي اين تشعشع طيف وسيعي را مي‌پوشاند، لذا براي نوسان ليزري مناسب نيست. در ليزر الكترون آزاد ، الكترونها مجبورند در جهت عرضي (x يا y) حركت موجي انجام دهند، در حاليكه با سرعتهاي نسبيتي در جهت محور اصلي (z) حركت مي‌كنند.
مقدار بيشتري از انرژي ميدان تشعشعي حاصله ، بر خلاف تشعشع سينكروترون داراي باند باريكه‌اي از فركانس است و اين براي نوسان ليزري مناسب است. اين فركانسها در واقع فركانسهايي هستند كه الكترونها با يك طول موج اپتيكي ، عقب نشيني مي‌كند. تشعشع منتشره در هر نقطه در طول مسير با تشعشع منتشره در زمانهاي قبلي در يك رديف قرار گرفته و بدين ترتيب يك جمع شوندگي ميدان ايجاد مي‌شود (چنين سرعت الكترون نسبيتي است). يك نقطه نظر ديگر ، مبادله توان ( Ex(r,t)Vx(r,t بين الكترون متحرك و موج الكترومغناطيسي متحرك با يك ميدان (E(r,t مي‌باشد. شرط همزماني استنتاج شده در بالا ، تضمين مي‌كند كه علامت ExVx نبايد تغيير كند، چون هر تغيير علامتي در Vx اتفاق بيفتد، در همان زمان Ex تغيير علامت مي‌ديد.
توان ExVx كه از باريكه الكترون به موج الكترومغناطيسي جاري مي‌شود، پيوسته است (اين توان حادي شده ممكن است منفي باشد). فركانسهاي گذار فركانسهايي هستند كه طي آن سرعت الكترون تغيير جهت مي‌دهد. الكترون آزاد ، انرژي E1 از ميدان الكتريكي يك فوتون با انرژي Eph جذب كرده و يا به آن يك فوتون مي‌دهد و با انرژي E2 خاتمه مي‌يابد.
چون الكترونها حركت نسبيتي دارند لذا انرژي آنها نيز بايد از روابط نسبيتي محاسبه شود. اما مشاهده مي‌كنيم كه تغيير در انرژي Ee∆ يك الكترون ، ايجاد يك گذار از مختوم P1 به P2 مي‌كند كه كوچكتر از انرژي (P1 - P2) فوتون با مختوم (P1 - P2) مي‌باشد. اين نتيجه در سه بعد نيز صادق است. يكي از راه حلهاي اين مسئله ميانجيگري در اندركنش بين الكترون و باريكه نور (فوتونها) بوسيله انتقال پريوديك فضايي است كه با مضاربي از 2π/L جذب مي‌كند (L پريود است)، اختلال ميتواند بر فوتون ، الكترون و يا هر دو اثر كند.
براي مشاهده نحوه عمل ، فرض مي‌كنيم در تيوبهاي موج رونده ميكروويو ، جائيكه ميدان الكترومغناطيسي در يك ساختار پريوديك منتشر مي‌شود، به ميدان يك حركت پريوديك اضافي وارد مي‌شود. در مورد يك ليزر الكترون آزاد ، اين حركت الكترون است كه بطور پريوديكي با بكار بردن يك ميدان مغناطيسي بطور فضايي پريوديكي مدوله مي‌شود. البته مي‌توان ميدان الكترومغناطيسي را بطور فضايي مدوله كرد، اين كار با بكار بردن يك موجي كه بطور فضايي پريوديكي است، عملي مي‌باشد.
هرگاه در تيوبهاي موج رونده و شتاب دهنده‌هاي خطي ذرات باردار ، به نقطه نظر كلاسيكي برگرديم: يك الكترون را در نظر مي‌گيريم كه با سرعت V در حركت است و با يك ميدان الكترومغناطيسي رونده كه ميدانهاي مغناطيسي و الكتريكي آن به ترتيب بصورت (E(r,t)B(r,t است، اندركنش مي‌كند.
شرط همزماني (The synchrcnism crndition)
براي اينكه يك تبادل انرژي بين الكترون (با انرژي γmc2) و يك ميدان E صورت مي‌گيرد، لازم است كه سرعت الكترون (v) در امتداد E ، مؤلفه غير صفر داشته باشد. (γ ضريب تبديل جرم نسبيتي است) در مورد موج الكترومغناطيسي تخت كه در جهت z منتشر مي‌شود Ez = 0 بوده و Ex ≠ 0 است. براي اينكه بايستي بررسي الكترون يك مؤلفه عرضي Vx داشته باشيم، چون Vz < c است، الكترون نسبت به موج عقب مي‌افتد و بايستي تغيير علامت دهد (جهت سرعت تغيير مي‌كند)، لذا تبادل خالص انرژي بين الكترون و باريكه متوسط گيري مي‌شود.
يك راه حل آشكار اين مسئله ودار كردن الكترون به تغيير سرعتش مي‌باشد. بطوري كه در يك جهت با ميدان عرضي حركت مي‌كند. اين كار با بكار بردن يك ميدان مغناطيسي عرضي پريوديكي فضايي (با پريود 0λ) در حضور يك موج الكترومغناطيسي تخت با طول موج λ بيان مي‌شود. بردار سرعت الكترون در z = 0 با ميدان روبرو شده و داراي يك سرعت عرضي موازي جهت ميدان (Vx||Ex) مي‌باشد. بطوري كه VxEx>0 است. يك الكترون مشابه در دو نقطه اضافي ديگر نشان داده شده‌اند. بخشي از يك ميدان الكتريكي كه در ابتدا در نقطه z = 0 با الكترون روبرو شده ، در نقطه Vx 0 است، ولي ميدان الكترومغناطيسي سريعتر و جلوتر از الكترون حركت مي‌كند بطوري كه Ex < 0 و ExVx > 0 است.
در نقطه z = λ0 ، Vx > 0 است و Ex > 0 است لذا ExVx>0 مي‌باشد. بنابراين در هر نقطه ExVx> 0 است و الكترون بطور پيوسته قرمز شده و به ميدان اپتيكي انرژي مي‌دهد. شرط تشديد P1 - P2 = ±t.k مي‌باشد.
نشر خود به خودي و بهره در FEL
وقتي كه الكترون در ميدان مغناطيسي wigglel حركت شتابدار انجام مي‌دهد (و اين شتاب پريوديك و عرضي مي‌باشد) و از آن يك تشعشع خودبخودي بوجود مي‌آيد، بطوري كه طيف حاصل از اين تشعشع از روابط مشابه توري پيروي مي‌كند. (پريودهاي ميدان مغناطيسي براي الكترون به مثابه توري مي‌باشد). الكترون شتابدار موج الكترومغناطيسي تشعشع مي‌كند و اين تشعشع در يك ساختار پريوديك صورت مي‌گيرد. بهره به عنوان اختلاف بين آهنگ نشر و جذب تحريكي بوسيله الكترونهاي تشعشعي مي‌باشد.
مزايا وكاربردهاي FEL
يكي از مزيتهاي FEL نسبت به ليزرهاي اتمي اين است كه در FEL با افزايش طول اندركنش L ، بهره الزاما افزايش پيدا نمي‌كند و ممكن است بهره از بين رفته و حتي منفي شود و خود L افزايش مي‌يابد، فركانس براي ماكزيمم بهره به مقدار تشديد خود نزديك مي‌شود.
در نوسانگرهاي FEL تشعشع از افت و خيز چگالي باريكه الكتروني و يا از نشر خودبخودي آغاز مي‌شود و هنگامي كه توان تبديلي از باريكه الكتروني بتوان تشعشعي از اتلافات تشعشع در مشدد زياد باشد عمل ليزر صورت مي‌گيرد. مزيت اصلي FEL به ليزرهاي كوانتومي قابليت تنظيم تشعشع آن مي‌باشد. در ليزرهاي كوانتومي طول موج ليزر بوسيله انرژي گذارهاي بين ترازهاي كوانتومي اتمها يا مولكولها در ماده فعال مشخص مي‌شود و علي‌رغم تنوع و تعداد مواد فعال ليزري تعداد ترازهاي كوانتومي محدود است (محدود به معني متناهي) ولي در FEL ها طول موج ليزر بوسيله پارامترهاي باريكه الكتروني و ساختار الكتروديناميكي آنها مشخص مي‌شود (ديوارهاي موجي ، آينه‌هاي مشدد و ...) نيز با مشخصه‌هاي ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي در ناحيه اندركنش.
تشعشع FEL ميتواند بر يك نقطه كه سايز آن با پديده‌هاي پراش مشخص مي‌شود، متمركز گردد.
تقويت نور در FEL ها در خلأ صورت مي‌گيرد، لذا اثرات ماده فعال روي نور وجود ندارد و پراش نيز كم است. لذا اين ليزر براي طي مسير طولاني و توانهايي بالا مناسب است، ولي در ليزرهاي معمولي بخاطر پراكندگي ماده فعال توان خروجي كم است، ولي مشكل عمده FEL ها تكنيك شتاب دهنده الكتروني است.
بهره FEL ها بالاي 100% است، ولي محدوديتهاي موجود (نه از نظر فيزيكي) باعث شده كه ركورد بهره از 34% تجاوز نكند.
از اين ليزرها در علم و صنعت ، مانند فعل و انفعالات مواد ميكرو ليتوگرافي ، جداسازي ايزوتوپها ، كاربردهاي شيميايي ، گرمايش پلاسما و ... استفاده مي‌شود.
منبع: رشد
:: موضوعات مرتبط:
لیزر الکترون آزاد،
، :: برچسب‌ها:
لیزر,
لیزر الکترون آزاد,
مقاله در مورد لیزر,
انواع لیزر,
ما در این وبلاگ تلاش داریم تا با معرفی تکنولوژی های برتر روز دنیا به جوانان و علاقه مندان به علم در این مرز و بوم آریایی و علم دوست، قدمی کوچک در جهت انقلاب علمی دانشمندان بزرگ ایران عزیز برداریم. با آرزوی موفقیت.
تبادل لینک هوشمند برای تبادل لینک ابتدا ما را با عنوان مطالب برتر علمی دنیا و آدرس chortke.LXB.ir لینک نمایید سپس مشخصات لینک خود را در زیر نوشته . در صورت وجود لینک ما در سایت شما لینکتان به طور خودکار در سایت ما قرار میگیرد.
<-PollName->
آمار
وب سایت:
تبادل لینک هوشمند 
