آزمایش‌هایی در مورد لیزر از نوع الكترون آزاد

در فیزیك پلاسما چندین شاخه وجود دارد كه در آن‌ها می‌توان از یك منبع تابش قوی، مؤثر و قابل تنظیم استفاده كرد. مثلاً ماشین‌های آینه مغناطیسی، برای تولید سدهای حرارتی و توپی‌های انتهایی، به چشمه‌های پر توان میكروموجی نیاز دارند تا كاهش محوری یونها را محدود كنند. اخیراً پیشنهاد شده است كه گرمایش توكامك‌ها از طریق تشدید سیكلوترونی الكترون‌ها می‌تواند به عنوان یك روش گرم كردن از مزیت‌هایی برخوردار باشد، و ممكن است بتواند موجد رانش جریانی بشود كه كار توكامك را در حالت پایا ممكن می‌كند. در هر دو مورد، قابل تنظیم بودن چشمه میكروموج مزیت مهمی خواهد بود.
در طول موج‌های خیلی كوتاه‌تر (nm1000-250)، گداخت با محصورسازی لخت و محرك لیزری نیازمند یك چشمه قوی تابش همدوس است. این چشمه‌ها باید هم كارا و هم ارزان باشند. آزمایش‌های اخیر این دلگرمی را به وجود آورده‌اند كه لیزر الكترون آزاد بتواند این ضرورت‌های متنوع و دشوار را تحقق ببخشد.
FEL انرژی جنبشی یك باریكه الكترونی نسبیتی را مستقیماً به تابش همدوس تبدیل می‌كند. این تبدیل با عبور باریكه الكترون از یك میدان مغناطیسی كه متناوباً در فضا معكوس می‌شود (اندولاتور) صورت می‌گیرد كه انتقال انرژی بین باریكه الكترون و یك میدان تابش هم – انتشار را ممكن می‌سازد. كار موفقیت آمیز FEL مستلزم برقراری رابطه‌ای دقیق بین فاز میدان تابش و موقعیت الكترون نسبت به میدان مغناطیسی متناوب است.
طول موج مربوط به بیشینه بهره اپتیكی/میكروموج را انرژی باریكه الكترون، شدت میدان مغناطیسی، و زمانی كه طی آن میدان مغناطیسی معكوس می‌شود، تعیین می‌كنند. این پارامترها، متغیرهای طرح‌اند، به طوری كه علی الاصول می‌توان هر طول موجی را برای كار انتخاب كرد. بنابراین FEL گستره كاربرد وسیعی دارد. چون مجراهای اتلاف حرارتی لیزرهای متداول در FEL وجود ندارد، كارایی زیاد امكان‌پذیر است.
معتبر بودن اصول اساسی FEL مدت‌ها قبل نشان داده شده بود، ولی در سال گذشته در آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور نشان داده شد كه در فركانس‌های میكروموجی بسیار زیاد است. یكی از آرایه‌های آزمایشی لاورنس – لیورمور، به نام FEL، تماماً به عنوان یك تقویت كننده به كار رفت: خروجی یك مگنترون معمولی 20 كیلو واتی (قله) به فركانس GHz6ر34، همراه با یك باریكه الكترون MeV5ر3 با جریان A800 (كه به وسیله یك شتاب‌دهنده آزمایشی تولید شده بود)، از اندولاتوری به طول 3 متر عبور داده شد و یك علامت میكروویو تقویت شده به دست آمد. از آزمایش‌های اولیه بهره dB40 با قله قدرت خروجی MW180 و كارایی استخراج كل 6% حاصل شد. برای به دست آوردن این نتیجه فقط از طول m4ر1 اندولاتور استفاده شد. تقویت كننده@های طویل توان خروجی را زیاد نكرد 6% استخراج انرژی كافی بود كه روابط فازی الكترون‌ها و میدان میكروموجی را از بین ببرد.
اما، اندولاتور ELF را می‌توان تدریجاً باریك كرد، یعنی میدان مغناطیسی آن را می‌توان تقلیل داد به نحوی كه حتی با استخراج مقدار قابل ملاحظه‌ای از انرژی جنبشی باریكه الكترون همزمانی فاز حفظ شود. وقتی اندولاتور لیورمور به تدریج باریك شد، قدرت خروجی از MW180 به بیش از GW1، با كارایی تبدیل كل 35% افزایش یافت.
آزمایش‌هایی كه در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس (طول موج μm6ر10)، دانشگاه كالیفرنیا در سانتاباربارا (μm400)، دانشگاه استانفورد (μm6ر2)، TRW/ استانفورد (μm6ر1) واورسی (μm6ر0) انجام گرفته، نشان داده است كه FEL ها می‌توانند در طول موجهای اپتیكی، كار كنند، منتهی كارائیشان تاكنون بسیار كم بوده است. آزمایش LANL نشان داد كه FEL گستره تنظیم قابل ملاحظه‌ای دارد و این حاكی از قابلیت تطبیق و انعطاف FEL است.
موفقیت این آزمایش‌ها بسیار دلگرم كننده است، ولی در سال‌های آینده لازم است كه حوزه‌های متعددی در فیزیك FEL (از نظر طول موج و مقیاس توان) و فیزیك شتابدهنده‌ها بررسی شوند، تا ثابت شود كه FEL حقیقتاً یك چشمه ارزان، كارا و قابل اعتماد تابش همدوس است.