Un láser de electrones libres ( FEL ) es una fuente de luz de cuarta generación que produce pulsos de radiación extremadamente brillantes y cortos. Un FEL funciona de manera muy similar a un láser , pero emplea electrones relativistas como medio de ganancia en lugar de utilizar emisión estimulada por excitaciones atómicas o moleculares. [1] [2] En un FEL, un grupo de electrones pasa a través de una estructura magnética llamada ondulador o meneador para generar radiación, que vuelve a interactuar con los electrones para hacerlos emitir de manera coherente, aumentando exponencialmente su intensidad.
Como la energía cinética de los electrones y los parámetros del ondulador se pueden adaptar según se desee, los láseres de electrones libres son sintonizables y pueden construirse para un rango de frecuencia más amplio que cualquier otro tipo de láser, [3] actualmente varían en longitudes de onda desde microondas hasta radiación de terahercios e infrarrojos. , al espectro visible , ultravioleta y rayos X . [4]
El primer láser de electrones libres fue desarrollado por John Madey en 1971 en la Universidad de Stanford [5] usando tecnología desarrollada por Hans Motz y sus compañeros de trabajo, quienes construyeron un ondulador en Stanford en 1953, [6] [7] usando la configuración magnética wiggler . Madey utilizó un haz de electrones de 43 MeV [8] y un oscilador de 5 m de largo para amplificar una señal.
Para crear un FEL, se utiliza un cañón de electrones . Un haz de electrones se genera mediante un pulso láser corto que ilumina un fotocátodo ubicado dentro de una cavidad de microondas y se acelera casi a la velocidad de la luz en un dispositivo llamado fotoinyector . El haz se acelera aún más hasta alcanzar una energía de diseño mediante un acelerador de partículas , normalmente un acelerador de partículas lineal . Luego, el haz pasa a través de una disposición periódica de imanes con polos alternos a lo largo de la trayectoria del haz, lo que crea un campo magnético de lado a lado . La dirección del haz se llama dirección longitudinal, mientras que la dirección a través de la trayectoria del haz se llama transversal. Este conjunto de imanes se llama ondulador o ondulador , porque la fuerza de Lorentz del campo obliga a los electrones del haz a moverse transversalmente, viajando a lo largo de una trayectoria sinusoidal alrededor del eje del ondulador.
La aceleración transversal de los electrones a lo largo de este camino da como resultado la liberación de fotones , que son monocromáticos pero aún incoherentes, porque las ondas electromagnéticas de los electrones distribuidos aleatoriamente interfieren de manera constructiva y destructiva en el tiempo. La potencia de radiación resultante aumenta linealmente con el número de electrones. Los espejos en cada extremo del ondulador crean una cavidad óptica , lo que hace que la radiación forme ondas estacionarias o, alternativamente, se proporciona un láser de excitación externo. La radiación se vuelve lo suficientemente fuerte como para que el campo eléctrico transversal del haz de radiación interactúe con la corriente transversal de electrones creada por el movimiento sinusoidal, lo que hace que algunos electrones ganen y otros pierdan energía en el campo óptico a través de la fuerza ponderomotriz .
Esta modulación de energía evoluciona hacia modulaciones de densidad electrónica (corriente) con un período de una longitud de onda óptica. De este modo, los electrones se agrupan longitudinalmente en microracimos , separados por una longitud de onda óptica a lo largo del eje. Mientras que un ondulador por sí solo haría que los electrones radiaran de forma independiente (incoherentemente), la radiación emitida por los electrones agrupados está en fase y los campos se suman de forma coherente .
La intensidad de la radiación aumenta, lo que provoca microagrupaciones adicionales de electrones, que continúan irradiando en fase entre sí. [9] Este proceso continúa hasta que los electrones están completamente microagrupados y la radiación alcanza una potencia saturada de varios órdenes de magnitud mayor que la de la radiación onduladora.
La longitud de onda de la radiación emitida se puede sintonizar fácilmente ajustando la energía del haz de electrones o la intensidad del campo magnético de los onduladores.
Los FEL son máquinas relativistas. La longitud de onda de la radiación emitida, está dada por [10]
o cuando el parámetro de fuerza del movimiento K , que se analiza a continuación, es pequeño
donde es la longitud de onda del ondulador (el período espacial del campo magnético), es el factor relativista de Lorentz y la constante de proporcionalidad depende de la geometría del ondulador y es del orden de 1.
Esta fórmula puede entenderse como una combinación de dos efectos relativistas. Imagina que estás sentado sobre un electrón que pasa por el ondulador. Debido a la contracción de Lorentz, el ondulador se acorta en un factor y el electrón experimenta una longitud de onda del ondulador mucho más corta . Sin embargo, la radiación emitida a esta longitud de onda se observa en el marco de referencia del laboratorio y el efecto Doppler relativista aporta el segundo factor a la fórmula anterior. En un FEL de rayos X, la longitud de onda típica del ondulador de 1 cm se transforma en longitudes de onda de rayos X del orden de 1 nm en ≈ 2000, es decir, los electrones tienen que viajar a una velocidad de 0,9999998 c .
K , un parámetro adimensional , define la fuerza del movimiento como la relación entre la longitud de un período y el radio de curvatura, [ cita necesaria ]
donde es el radio de curvatura, es el campo magnético aplicado, es la masa del electrón y es la carga elemental .
Expresado en unidades prácticas, el parámetro ondulador adimensional es .
En la mayoría de los casos, la teoría del electromagnetismo clásico explica adecuadamente el comportamiento de los láseres de electrones libres. [11] Para longitudes de onda suficientemente cortas, es posible que sea necesario considerar los efectos cuánticos del retroceso de los electrones y el ruido de disparo . [12]
Los láseres de electrones libres requieren el uso de un acelerador de electrones con su blindaje asociado, ya que los electrones acelerados pueden representar un peligro de radiación si no se contienen adecuadamente. Estos aceleradores suelen funcionar con klistrones , que requieren un suministro de alto voltaje. El haz de electrones debe mantenerse en el vacío , lo que requiere el uso de numerosas bombas de vacío a lo largo de la trayectoria del haz. Si bien este equipo es voluminoso y costoso, los láseres de electrones libres pueden alcanzar potencias máximas muy altas, y la capacidad de ajuste de los FEL los hace muy deseables en muchas disciplinas, incluida la química, la determinación de la estructura de moléculas en biología, el diagnóstico médico y las pruebas no destructivas .
El Instituto Fritz Haber de Berlín completó un FEL de infrarrojo medio y terahercios en 2013. [13] [14]
La falta de materiales de espejo que puedan reflejar los rayos ultravioleta y los rayos X extremos significa que los láseres de electrones libres de rayos X (XFEL) deben funcionar sin una cavidad resonante . En consecuencia, en un FEL de rayos X (XFEL) el haz se produce mediante un único paso de radiación a través del ondulador . Esto requiere que haya suficiente amplificación en un solo paso para producir un haz apropiado.
Por lo tanto, los XFEL utilizan largas secciones onduladas de decenas o cientos de metros de largo. Esto permite a los XFEL producir los pulsos de rayos X más brillantes de cualquier fuente de rayos X creada por humanos. Los intensos pulsos del láser de rayos X se basan en el principio de emisión espontánea autoamplificada (SASE), que conduce a la microaglomeración. Inicialmente todos los electrones están distribuidos uniformemente y sólo emiten radiación espontánea incoherente. A través de la interacción de esta radiación y las oscilaciones de los electrones , estos se derivan en microracimos separados por una distancia igual a una longitud de onda de radiación. Esta interacción impulsa a todos los electrones a comenzar a emitir radiación coherente. La radiación emitida puede reforzarse perfectamente, de modo que las crestas y los valles de las ondas se superponen de forma óptima entre sí. Esto da como resultado un aumento exponencial de la potencia de radiación emitida, lo que conduce a altas intensidades de haz y propiedades similares a las del láser. [15]
Ejemplos de instalaciones que operan según el principio SASE FEL incluyen:
En 2022, una actualización de la fuente de luz coherente Linac (LCLS-II) de la Universidad de Stanford utilizó temperaturas de alrededor de -271 °C para producir 10 6 pulsos/segundo de electrones cercanos a la velocidad de la luz, utilizando cavidades superconductoras de niobio. [17]
Un problema con los SASE FEL es la falta de coherencia temporal debido a un proceso de inicio ruidoso . Para evitar esto, se puede "sembrar" un FEL con un láser sintonizado a la resonancia del FEL. Una semilla temporalmente coherente de este tipo se puede producir por medios más convencionales, como por generación de altos armónicos (HHG) utilizando un pulso de láser óptico. Esto da como resultado una amplificación coherente de la señal de entrada; de hecho, la calidad del láser de salida se caracteriza por la semilla. Si bien las semillas de HHG están disponibles en longitudes de onda hasta el ultravioleta extremo, la siembra no es factible en longitudes de onda de rayos X debido a la falta de láseres de rayos X convencionales.
A finales de 2010, en Italia, la fuente FEL sembrada FERMI@Elettra [18] comenzó a ponerse en funcionamiento en el Laboratorio de Sincrotrón de Trieste . FERMI@Elettra es una instalación de usuario FEL de paso único que cubre el rango de longitud de onda de 100 nm (12 eV) a 10 nm (124 eV), ubicada junto a la instalación de radiación sincrotrón de tercera generación ELETTRA en Trieste, Italia.
En 2001, en el laboratorio nacional de Brookhaven , se desarrolló una técnica de siembra llamada "generación armónica de alta ganancia" que funciona con longitudes de onda de rayos X. [19] La técnica, que puede realizarse en múltiples etapas en un FEL para lograr longitudes de onda cada vez más cortas, utiliza un desplazamiento longitudinal de la radiación en relación con el haz de electrones para evitar la calidad reducida del haz causada por una etapa anterior. Esta puesta en escena longitudinal a lo largo de la viga se denomina "Fresh-Bunch". [20] Esta técnica se demostró en longitud de onda de rayos X [21] [22] en el Laboratorio Sincrotrón de Trieste .
En el Instituto Paul Scherrer se demostró un enfoque de puesta en escena similar, denominado "Fresh-Slice" , también en longitudes de onda de rayos X. En Fresh Slice, el corto pulso de rayos X producido en la primera etapa se mueve a una parte nueva del haz de electrones mediante una inclinación transversal del haz. [23]
En 2012, los científicos que trabajaban en el LCLS encontraron una solución alternativa a la limitación de la siembra de longitudes de onda de rayos X al autosembrar el láser con su propio haz después de filtrarlo a través de un monocromador de diamante . La intensidad resultante y la monocromaticidad del haz no tenían precedentes y permitieron realizar nuevos experimentos que implicaban la manipulación de átomos y la obtención de imágenes de moléculas. Otros laboratorios de todo el mundo están incorporando la técnica a sus equipos. [24] [25]
Los investigadores han explorado los láseres de electrones libres de rayos X como una alternativa a las fuentes de luz de sincrotrón que han sido los caballos de batalla de la cristalografía de proteínas y la biología celular . [26]
Los rayos X excepcionalmente brillantes y rápidos pueden obtener imágenes de proteínas mediante cristalografía de rayos X. Esta técnica permite obtener imágenes por primera vez de proteínas que no se apilan de una manera que permita obtener imágenes mediante técnicas convencionales, el 25% del número total de proteínas. Se han logrado resoluciones de 0,8 nm con duraciones de pulso de 30 femtosegundos . Para obtener una visión clara, se requiere una resolución de 0,1 a 0,3 nm. La corta duración de los pulsos permite registrar imágenes de patrones de difracción de rayos X antes de que se destruyan las moléculas. [27] Los rayos X brillantes y rápidos se produjeron en la fuente de luz coherente Linac en SLAC. En 2014, LCLS era el FEL de rayos X más potente del mundo. [28]
Debido al aumento de las tasas de repetición de las fuentes FEL de rayos X de próxima generación, como el XFEL europeo , también se espera que el número esperado de patrones de difracción aumente en una cantidad sustancial. [29] El aumento en el número de patrones de difracción ejercerá una gran presión sobre los métodos de análisis existentes. Para combatir esto, se han investigado varios métodos para clasificar la enorme cantidad de datos que generarán los experimentos típicos de FEL de rayos X. [30] [31] Si bien se ha demostrado que los diversos métodos son efectivos, está claro que para allanar el camino hacia la obtención de imágenes FEL de rayos X de una sola partícula con tasas de repetición completas, se deben superar varios desafíos antes de la próxima revolución de resolución. puede lograrse. [32] [33]
Nuevos biomarcadores para enfermedades metabólicas: aprovechando la selectividad y sensibilidad al combinar la espectroscopia de iones infrarrojos y la espectrometría de masas , los científicos pueden proporcionar una huella estructural de moléculas pequeñas en muestras biológicas, como sangre u orina. Esta metodología nueva y única está generando nuevas e interesantes posibilidades para comprender mejor las enfermedades metabólicas y desarrollar nuevas estrategias diagnósticas y terapéuticas.
Una investigación realizada por Glenn Edwards y sus colegas en el Centro FEL de la Universidad de Vanderbilt en 1994 encontró que los tejidos blandos, incluidos la piel, la córnea y el tejido cerebral, podían cortarse o extirparse utilizando longitudes de onda infrarrojas FEL de alrededor de 6,45 micrómetros con un daño colateral mínimo al tejido adyacente. [34] [35] Esto llevó a cirugías en humanos, las primeras en utilizar un láser de electrones libres. A partir de 1999, Copeland y Konrad realizaron tres cirugías en las que resecaron tumores cerebrales de meningioma . [36] A partir de 2000, Joos y Mawn realizaron cinco cirugías que cortaron una ventana en la vaina del nervio óptico , para probar la eficacia de la fenestración de la vaina del nervio óptico . [37] Estas ocho cirugías produjeron resultados consistentes con el estándar de atención y con el beneficio adicional de un daño colateral mínimo. En la primera edición de Tunable Laser Applications se ofrece una revisión de los FEL para usos médicos. [38]
Se han creado varios láseres clínicos pequeños sintonizables en el rango de 6 a 7 micrómetros con estructura de pulso y energía para causar un daño colateral mínimo en los tejidos blandos. [ cita necesaria ] En Vanderbilt, existe un sistema de desplazamiento Raman bombeado por un láser de Alejandrita. [39]
Rox Anderson propuso la aplicación médica del láser de electrones libres para derretir grasas sin dañar la piel que las recubre. [40] En longitudes de onda infrarrojas , el láser calentaba el agua del tejido, pero en longitudes de onda correspondientes a 915, 1210 y 1720 nm , los lípidos del subsuelo se calentaban diferencialmente con más fuerza que el agua. Las posibles aplicaciones de esta fototermólisis selectiva (calentar tejidos mediante luz) incluyen la destrucción selectiva de los lípidos del sebo para tratar el acné , además de atacar otros lípidos asociados con la celulitis y la grasa corporal, así como las placas grasas que se forman en las arterias y que pueden ayudar a tratar la aterosclerosis. y enfermedades del corazón . [41]
La Marina de los EE. UU. está evaluando la tecnología FEL como candidata para un arma de energía dirigida antiaérea y antimisiles . El FEL de la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson ha demostrado una potencia de salida de más de 14 kW. [42] Se están investigando armas FEL compactas de clase multimegavatio. [43] El 9 de junio de 2009, la Oficina de Investigación Naval anunció que había adjudicado a Raytheon un contrato para desarrollar un FEL experimental de 100 kW. [44] El 18 de marzo de 2010, Boeing Directed Energy Systems anunció la finalización de un diseño inicial para uso naval de EE. UU. [45] Se demostró un prototipo de sistema FEL, y se programó un prototipo de potencia total para 2018. [46]
El premio FEL se otorga a una persona que haya contribuido significativamente al avance del campo de los láseres de electrones libres. Además, brinda a la comunidad internacional FEL la oportunidad de reconocer a sus miembros por sus logros sobresalientes.
El Premio FEL para Jóvenes Científicos (o "Premio FEL para Jóvenes Investigadores") tiene como objetivo honrar las contribuciones destacadas a la ciencia y la tecnología FEL de una persona menor de 35 años.
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