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 la emisión estimulada a partir de excitaciones atómicas o moleculares. [1] [2] En un FEL, un grupo de electrones pasa a través de una estructura magnética llamada ondulador o wiggler para generar radiación, que vuelve a interactuar con los electrones para hacer que emitan 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 ajustables y se pueden construir para un rango de frecuencia más amplio que cualquier otro tipo de láser, [3] que actualmente varía en longitud de onda desde microondas , pasando por radiación de terahercios e infrarrojos , hasta el 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] utilizando tecnología desarrollada por Hans Motz y sus colaboradores, quienes construyeron un ondulador en Stanford en 1953, [6] [7] utilizando la configuración magnética de wiggler . Madey utilizó un haz de electrones de 43 MeV [8] y un wiggler de 5 m de largo para amplificar una señal.
Para crear un FEL, se utiliza un cañón de electrones . Se genera un haz de electrones 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 a una energía de diseño mediante un acelerador de partículas , generalmente 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 lo largo de la trayectoria del haz se llama transversal. Este conjunto de imanes se llama ondulador o wiggler , porque la fuerza de Lorentz del campo obliga a los electrones en el 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 produce 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 de electrones transversal creada por el movimiento de ondulación 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. Los electrones se agrupan longitudinalmente en microagrupaciones , separadas por una longitud de onda óptica a lo largo del eje. Mientras que un ondulador por sí solo haría que los electrones irradiaran de forma independiente (de manera incoherente), 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 una microagrupación adicional de los 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 varios órdenes de magnitud mayor que la de la radiación del ondulador.
La longitud de onda de la radiación emitida se puede ajustar fácilmente modificando 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 wiggler 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 de Lorentz relativista 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. Imagine que está sentado sobre un electrón que pasa a través del ondulador. Debido a la contracción de Lorentz, el ondulador se acorta por un factor y el electrón experimenta una longitud de onda de ondulador mucho más corta . Sin embargo, la radiación emitida en esta longitud de onda se observa en el marco de referencia del laboratorio y el efecto Doppler relativista trae 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 a longitudes de onda de rayos X del orden de 1 nm en ≈ 2000, es decir, los electrones tienen que viajar con la velocidad de 0,9999998 c .
K , un parámetro adimensional , define la fuerza del wiggler como la relación entre la longitud de un período y el radio de curvatura, [ cita requerida ]
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, puede ser 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 ser un peligro de radiación si no se contienen adecuadamente. Estos aceleradores suelen estar alimentados por klistrones , que requieren una fuente de alimentación de alto voltaje. El haz de electrones debe mantenerse en 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 de pico 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 rayos X y ultravioleta extremos significa que los láseres de electrones libres de rayos X (XFEL) necesitan funcionar sin una cavidad resonante . En consecuencia, en un láser de electrones libres de rayos X (XFEL), el haz se produce mediante un solo 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 de ondulador que tienen decenas o cientos de metros de longitud. Esto permite que los XFEL produzcan los pulsos de rayos X más brillantes de cualquier fuente de rayos X creada por el hombre. Los pulsos intensos del láser de rayos X se basan en el principio de emisión espontánea autoamplificada (SASE), que conduce a la microagrupación. Inicialmente, todos los electrones se distribuyen de manera uniforme y emiten solo radiación espontánea incoherente. A través de la interacción de esta radiación y las oscilaciones de los electrones , se desplazan en microagrupaciones separadas 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, por lo que las crestas y los valles de las ondas se superponen de manera óptima entre sí. Esto da como resultado un aumento exponencial de la potencia de la radiación emitida, lo que conduce a altas intensidades de haz y propiedades similares a las del láser. [15]
Algunos ejemplos de instalaciones que funcionan 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 a una velocidad cercana a la de la luz, utilizando cavidades superconductoras de niobio. [17]
Un problema con los FEL SASE es la falta de coherencia temporal debido a un proceso de arranque ruidoso . Para evitarlo, se puede "sembrar" un FEL con un láser sintonizado con la resonancia del FEL. Esta semilla temporalmente coherente se puede producir por medios más convencionales, como por ejemplo mediante la generación de armónicos altos (HHG) utilizando un pulso láser óptico. Esto da como resultado una amplificación coherente de la señal de entrada; en efecto, la calidad del láser de salida se caracteriza por la semilla. Si bien las semillas 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, comenzó la puesta en servicio de la fuente FEL con semilla FERMI@Elettra [18] , en el Laboratorio Sincrotrón de Trieste . FERMI@Elettra es una instalación de usuario FEL de un solo paso 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 de armónicos de alta ganancia" que funciona con longitudes de onda de rayos X. [19] La técnica, que se puede realizar en varias 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 etapa longitudinal a lo largo del haz se llama "Fresh-Bunch". [20] Esta técnica se demostró en longitudes de onda de rayos X [21] [22] en el Laboratorio Sincrotrón de Trieste .
En el Instituto Paul Scherrer se demostró un método de estadificación similar, denominado "Fresh-Slice", también en longitudes de onda de rayos X. En el Fresh Slice, el pulso corto de rayos X producido en la primera etapa se mueve hacia 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 ser filtrado a través de un monocromador de diamante . La intensidad y monocromaticidad resultantes 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 la obtención de 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 vista clara, se requiere una resolución de 0,1 a 0,3 nm. Las duraciones de pulso cortas permiten 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. A partir de 2014, LCLS fue el FEL de rayos X más potente del mundo. [28]
Debido al aumento de las tasas de repetición de las fuentes de 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 pondrá 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 FEL de rayos X típicos. [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 partículas individuales a tasas de repetición completas, se deben superar varios desafíos antes de que se pueda lograr la próxima revolución de resolución. [32] [33]
Nuevos biomarcadores de enfermedades metabólicas: aprovechando la selectividad y sensibilidad que ofrecen las combinaciones de espectroscopia de iones infrarrojos y espectrometría de masas, los científicos pueden proporcionar una huella estructural de pequeñas moléculas en muestras biológicas, como sangre u orina. Esta nueva y exclusiva metodología está generando nuevas y emocionantes posibilidades para comprender mejor las enfermedades metabólicas y desarrollar nuevas estrategias diagnósticas y terapéuticas.
La investigación de Glenn Edwards y colegas en el Centro FEL de la Universidad de Vanderbilt en 1994 descubrió que los tejidos blandos, incluida la piel, la córnea y el tejido cerebral, se podían cortar o ablacionar utilizando longitudes de onda FEL infrarrojas de alrededor de 6,45 micrómetros con un daño colateral mínimo al tejido adyacente. [34] [35] Esto condujo a cirugías en humanos, la primera en utilizar un láser de electrones libres. A partir de 1999, Copeland y Konrad realizaron tres cirugías en las que resecaron tumores cerebrales meningiomatosos . [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 producir un daño colateral mínimo en el tejido blando. [ cita requerida ] En Vanderbilt, existe un sistema desplazado 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 suprayacente. [40] En longitudes de onda infrarrojas , el agua en el tejido se calentó con el láser, pero en longitudes de onda correspondientes a 915, 1210 y 1720 nm , los lípidos subsuperficiales se calentaron diferencialmente con mayor fuerza que el agua. Las posibles aplicaciones de esta fototermólisis selectiva (calentamiento de tejidos mediante luz) incluyen la destrucción selectiva de los lípidos del sebo para tratar el acné , así como la focalización de otros lípidos asociados con la celulitis y la grasa corporal, así como las placas grasas que se forman en las arterias, lo que puede ayudar a tratar la aterosclerosis y las enfermedades cardíacas . [41]
La tecnología FEL está siendo evaluada por la Marina de los EE. UU. 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 otorgado 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 los EE. UU. [45] Se demostró un prototipo de sistema FEL, con un prototipo de máxima potencia programado 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 de FEL la oportunidad de reconocer a sus miembros por sus logros sobresalientes. Los ganadores del premio se anuncian en la conferencia FEL, que actualmente se celebra cada dos años.
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 que tenga menos de 37 años de edad al momento de la conferencia FEL. [47]
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