Serbest Elektron Lazerinin Çalışma Prensibi

Serbest elektron lazerinde, elektronlar yüksek enerjilere sahip olacak biçimde hızlandırılır ve özel mıknatıs düzenlemeleriyle lazer özelliğine sahip  ve flaş şeklinde yanıp sönen çok parlak  bir ışık elde edilir. Böylece elimizde özellikle araştırmalar sahasında önümüze yeni perspektifler açan güçlü X-ışını lazerleri yaratılmış olur. 

Elektronlar bir eğrinin etrafında dolanırsa, ışık yayarlar. Modern ışınım kaynaklarında, parçacıklar slalomdaki zikzak harekete benzer patikalar üzerinde hareket edecek bir yola sokulur. Böylece gerçekleşen ışınım yani radyasyon son derece güçlendirilmiş olmaktadır. Serbest elektronlu lazerler (FEL), elektronların ortak modda ışık yaymasına imkan verecek şekilde tasarlanırlar. Sonuç, lazer ışığının özelliklerine sahip olan ve  flaş şeklinde yanıp sönen yüksek yoğunluklu ışınımdır. 

Serbest Elektron Lazerinin Yapısı

Serbest elektronlu bir lazerin ilk kısmı, elektronların neredeyse ışık hızına hızlandığı bir parçacık hızlandırıcıdır. İkinci bölümde, elektronlar özel manyetik alan oluşturan (ondülatör olarak adlandırılır) tertibat boyunca zikzağa benzer bir slalom hareketine zorlandıklarında etraflarına radyasyon yayarlar . Serbest elektron lazerlerinin bu yapısı modern senkrotron radyasyon kaynakları ile çok benzeşirler. Serbest elektron lazerindeki püf noktası, elektronların, ondülatörün manyetik alanı boyunca hareketleri sırasında , kendilerinin yaydıkları radyasyonla tam olarak aynı dalga boyuna sahip bir ışınım ile etkileşime giriyor olmasıdır. Netice olarak serbest elektron lazeri ile çok daha şiddetli bir ışık (ışınım )elde edilmektedir.  Bu ışık  (ki günümüzde röntgen (x ışını) dalga boyunda ve saniyede binlerce kez yanıp sönen  bir karakterdedir)  sayesinde  artık nano ölçekteki kristal ve moleküllerin yapısı ve özellikle işleyişi çok ayrıntılı bir şekilde incelenebilmektedir. Özellikle de kanser hastalığına sebep olan mekanizmaların çözülmesi mümkün olabilecektir. 

Mikro-Bunching (Mikro Demetle) 

Elektronların ışınım ile etkileşimi neticesinde, küçük ölçekte öbeklenme/demetlenmeler meydana gelir. Buna fizikte mikro-bunching adı verilir: Ondülatörün başlangıç safhasında tüm elektronlar aynı enerjiye sahiptir. Bu durum elektronların ışınım ile etkileşime girmesi neticesinde değişir. Işınım yükleri ya enerji kazanır ya da kaybeder. 

Şimdi, ondülatörde her elektron enerjisi için belirli bir slalom rotası ve her slalom rotası için ileri yönde belirli bir hız vardır. Bir kayak sporcusu bir vadiye doğru inişi sırasında slalom çubuklarına olabildiğince yakın bir mesafeden geçerken geniş yay yaparak geçmesine nazaran çok daha fazla hızlanır. Bu nedenle, enerji kaybetme veya kazanma elektronların ileri yönde hızlanmasını veya geride kalmasını sağlar. 

Serbest elektron lazerinde, elektronların hızı ve manyetik alan tertibatının şekli, yüklerin ondülatörde iki kutup çifti yol aldıktan bir dalgaboyu geri kalmalarını sağlayacak şekilde birbirlerine uygun hale getirilmiştir. Bu durumda, elektron yükleri ilk durumlarına geri dönmüştür; Öncesinde bir miktar enerji kaybetmiş olan elektron bu durumda yine frenlenmektedir. Diğer elektronlar buna karşın, özellikle ivmelenerek hızlanır. Bu durum tüm elektronların artık hiçbir enerji alışevirişinin gerçekleşmediği bölgeye itilinceye dek sürer gider. Böylece elektronlar küçük öbekler halinde bir araya gelmiş olurlar. 

Işık elektron paketini giderek bir krepi andıran küçük öbeklere ayırır. Bu öbekler arasındaki mesafe ışınımın dalga boyu kadardır. Elektronlar aynı ölçüde (öncekinden ne daha az ne daha fazla ) ışınım yapmaya devam eder. Yine de elektron öbeklerinin ışınımlarının mükemmel şekilde üstüste binmesiyle ortaya çok şiddetli ışık ortaya çıkar. 

Serbest elektron lazeri bir ışık kuvvetlendiricisidir. Elektronları küçük öbekler şeklinde şekil almaya zorlayan ışığın şiddetini kat ve kat arttırır. Ama serbest elektron lazerinin olmayan bir şeyi kuvvetlendirmeyeceği aşikardır. Bu teknik başlangıçta, doğru dalga boyuna sahip ve elektronları düzenleyen küçük bir ışık flaşına ihtiyaç duyar. 

Burada karşımıza iki seçenek çıkar: 

Dışarı kaynaklı bir ışık demeti kullanılması. Bu olasılığa aşılama (tohumlama) denir; bu durumda aşılanmış bir serbest elektron lazerinden bahsediyoruz. 

Bununla birlikte, elektronlar zik zak (ondulatörde) hareketi yaparak ilerlerken serbest elektron lazerinde kendiliğinden oluşan ışığın kullanılması da söz konusu olabilir. Bu etkiye SASE Self Amplification Of Spontaneous Emission yani Spontan Emisyonun Kendiliğinden Kuvvetlendirilmesi denir. 

2005 yılında Hamburg'daki DESY araştırma merkezinde faaliyete geçen Vakum Ultraviyole-Serbest Elektron Lazeri (VUV-FEL ) ve planlama aşamasında bulunan Avrupa X-ışını lazeri XFEL özünde birer SASE- Serbest Elektron Lazeridir. 'dir. Bu tesislerde Işık kuvvetlendirme sürecinin tümü tek seferde gerçekleştirilmek durumundadır. Bu durum çok uzun ondülatörleri zorunlu kılar. Vakum Ultraviyole-Serbest Elektron Lazerinde 30 metre uzunluğunda, Avrupa X-ışını Serbest Elektron lazerinde ise 150 metre uzunluğundadır. 

Serbest Elektron Lazerlerin Tarihçesi 

Serbest elektron lazeri ismini , bu tasarımda elektronların atomlara sıkıca bağlı olmamasından ve aksine manyetik alan tertibatı sayesinde serbestçe hareket etmesi gerçeğinden alır. Serbest elektron lazeri fikri ilk olarak 1971 yılında John M.J. Madey tarafından ortaya atıldı. Ancak, ilk uygulaması Stanford Üniversitesi'ndeki Madey ve meslektaşlarının ilk serbest elektron lazerini 6 yıl sonra gerçekleştirmeleriyle oldu. 

SASE fikri ilk olarak Anatoli M. Kondratenko ve Evgeni L. Saldin tarafından tartışıldı ve 1984 yılında Rodolfo Bonifacio, Claudio Pellegrini ve çalışma arkadaşları tarafından ayrıntılı olarak üzerinde çalışıldı . 2005 yılında DESY araştırma merkezinde , VUV-FEL ile SASE etkisinin metrenin 31 milyarda biri dalga boyunda meydana geldiği ispatlandığında mevcut durumdaki SASE-FEL dünya rekoru kırılmış oldu. alen bu rekor kırılamamıştır. XFEL X-ışını lazeri ile dalga boyu 400 kat daha küçük olacaktır.