لیزرهای الکترون آزاد (1)

هانری فرویند و رابرت پارکر
الکترون‌ها به کمک میدان مغناطیسی می‌توانند در امواج نوری انرژی بدمند. پرتو شدیدی که حاصل می‌شود می‌تواند ساختارهای بلوری را بکاود و احتمالاً موشک‌ها را در فضا منهدم کند.
لیزر الکترون آزاد علی‌الاصول چشمة نور بسیار قابل انعطافی است، بازده آن زیاد است، عملاً روی هر طول موجی کوک می‌شود، در توان‌های زیاد کار می‌کند، و البته نور همدوس تولید می‌کند. در صورتی که لیزرهای گازی و حالت جامد فقط در طول موج‌هایی که خاص گذارهای انرژی مواد فعال آن‌هاست می‌توانند نور تولید کنند. اگرچه لیزرهای رزینه‌ای را هم می‌توان روی نواری باریک از طول موجها کوک کرد، ولی دمش نوری آن‌ها (معمولاً) مستلزم لیزر گازی است و به‌علاوه، این لیزرها فقط در توان‌های نسبتاً کم می‌توانند کار کنند. نکتة دیگر اینکه، برخلاف لیزرهای متداول که نوعاً فقط تا چند درصد از انرژی دریافتی را به نور تبدیل می‌کنند، بازده بالقوة لیزرهای الکترون آزاد به 65 درصد نیز می‌رسد. از لیزرهای اکترون آزاد تاکنون در آزمایش‌هایی در زمینه‌های گوناگون، از فیزیک حالت جامد گرفته تا زیست‌شناسی مولکولی، استفاده شده است و فعلاً روی تکمیل گونه‌هایی از آن برای مقاصد مختلف نظامی، از جمله سلاح‌هایی برای هدایت انرژی، کار می‌شود.
تاکنون لیزرهای الکترون آزاد عمدتاً به آزمایشگاه محدود بوده‌اند و اغلب آن‌ها در مجاورت شتاب‌دهنده‌های الکترون ساخته شده‌اند. اگرچه لیزر الکترون آزاد توانایی آن را دارد که در طول موج‌های میکروموج تا فرابنفش نور گسیل کند، اما پژوهشگران در به کار انداختن آن در طول موج‌های مرئی و کوتاه‌تر با دشواری‌هایی مواجه بوده‌اند. لیزرهای الکترون آزاد بتازگی جایگاه خود را پیدا کرده‌اند؛ برای آن‌ها شتاب‌دهنده‌هایی مطابق ضرورت‌ها طراحی می‌شود، و تجهیزاتی برپا می‌شود تا دست‌اندرکاران رشته‌های دیگر نیز بتوانند از برکات این چشمة جدید نور شدید بهره‌مند شوند.
در لیزر الکترون آزاد نیز، مثل لیزرهای معمولی، نور همدوس توسط الکترون‌ها گسیل می‌شود، اما در این مورد (چنان‌که از اسم لیزر هم پیداست) الکترون‌ها به جای آنکه به اتم‌های مادة فعال لیزر مقید باشند، به شکل باریکه‌ای در خلاً حرکت می‌کنند. چون الکترون‌ها آزادند، طول موجی که گسیل می‌کنند به گذار مجاز میان دوتراز انرژی یک مادة خاص محدود نمی‌شود. در اصطلاح مکانیک کوانتومی، الکترون در اثر انتقال از یک تراز انرژی به تراز دیگر در پیوستاری از ترازها نور گسیل می‌کند. البته، این فرایند را صرفاً با نظریة الکترومغناطیس کلاسیک نیز می‌توان توصیف کرد. نور این لیزرها در اثر برهم‌کنش سه عامل تولید می‌شود: باریکة الکترون، یک موج الکترومغناطیسی که در همان راستای حرکت الکترون‌ها در کاواک لیزر حرکت می‌کند، و یک میدان مغناطیسی که در فضا دوره‌ای است و به وسیلة یک مجموعه آهنربا، مشهور به ویگلر، ایجاد می‌شود. تاًثیر میدان مغناطیسی ویگلر روی الکترون‌ها طوری است که الکترون‌ها به موج الکترومغناطیسی انرژی می‌دهند. این انرژی باعث تقویت موج می‌شود و بعداً لیزر آن را گسیل می‌کند.
وقتی موج نور را از میان میدان مغناطیسی مواجی نظیر آنچه ویگلر ایجاد می‌کند می‌گذرد، تغییرات فضایی میدان ویگلر با تغییرات میدان الکترومغناطیسی موج نور ترکیب می‌شود و یک موج زنش به وجود می‌آید که اساساً نقش تداخل این دو موج است. بسامد موج زنش با بسامد موج نور یکی است، ولی عدد موج آن برابر با مجموع عدد موج‌های باریکة نور و میدان ویگلر است.
با این‌که بسامد موج زنش با بسامد موج نور یکی است، ولی چون عدد موج اولی بزرگتر (و بنابراین طول موج آن کوچکتر) است آهسته‌تر از موج نور حرکت می‌کند، به همین سبب به آن موج " گرانرو" می‌گویند. میدان الکترومغناطیسی موج گرانرو ترکیبی از میدان موج نور و میدان ساکن ویگلر است؛ بنابراین عملاً این همان میدانی است که بر الکترون هنگام عبور از لیزر الکترون آزاد اثر می‌کند. اگر الکترون با سرعت این موج حرکت کند، تحت تاًثیر میدانی ثابت قرار می‌گیرد که به آن قسمت از موج تعلق دارد که با الکترون در حرکت است.
برهم کنش الکترون‌ها و موج گرانرو شبیه به برهم کنش موج‌سواران با موجی است که به ساحل نزدیک می‌شود. اگر موج سواران در آب حرکتی نداشته باشند موقع عبور موج فقط بالا می‌روند و بعد از زمانی کوتاه باز به جای اولشان برمی‌گردند. اما، اگر موج سواران خود را با سرعت موج تطبیق بدهند و بتوانند بر موج "سوار" شوند، اندازه حرکت قابل ملاحظه‌ای از موج دریافت می‌کنند که می‌تواند آن‌ها را به طرف ساحل بکشاند.
(در لیزر الکترون آزاد، الکترون‌ها موج را تقویت می‌کنند، بنابراین وضعیت بیشتر شبیه آن است که موج‌سواران موج را "هل" بدهند و ارتفاع آن را زیاد کنند.)
چگونه یک میدان مغناطیسی عرضی و یک موج الکترومغناطیسی که عمود برامتداد آن منتشر می‌شود و می‌توانند منجر به نیرویی محوری (طولی) شوند که می‌تواند از باریکة الکترون انرژی بگیرد؟ الکترونی که در میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، تحت تاًثیر نیرویی واقع می‌شود که هم بر امتداد میدان و هم بر امتداد حرکت عمود است. وقتی الکترون وارد میدان عرضی ویگلر می‌شود تحت تأثیر یک نیروی عرضی قرار می‌گیرد که به آن سرعتی عرضی می‌دهد. برهم کنش این سرعت عرضی که ویگلر ایجاد کرده با میدان مغناطیسی موج الکترومغناطیسی، نیرویی عمود برهر دو ـ در امتداد محور ـ ایجاد می‌کند، که همان نیروی " گرانروی" است.
الکترونی که سریعتر از موج گرانرو حرکت می‌کند در خلاف جهت نیروی گرانروی در حرکت است و بنابراین کند خواهد شد. انرژی کل سیستم موج ـ ذره باید پایسته بماند، بنابراین انرژیی که الکترون از دست می‌دهد نصیب موج می‌شود. به این ترتیب موج نوری که از داخل کاواک می‌گذرد با انرژی الکترون تقویت می‌شود.
میزان تقویت به تفاوت سرعت الکترون با سرعت موج گرانرو، و نیز به شدت بر هم کنش میان الکترون و این موج بستگی دارد. اگر سرعت الکترون‌ها و سرعت موج تقریبأ برابر باشند، الکترون‌ها پیش از آن‌که کند شوند و دیگر نتوانند از قله‌های موج بگذرند، مقدار کمی انرژی به موج می‌دهند. اما اگر الکترون‌ها خیلی سریع‌تر یا خیلی آهسته‌تر از موج گرانرو در حرکت باشند، برهم کنش میان این دو خفیف خواهد بود.
وقتی الکترون‌ها و موج گرانرو با هم در میدان ویگلر حرکت می‌کنند، الکترون‌ها انرژی از دست می‌دهند و کند می‌شوند تا اینکه دیگر نمی‌توانند از قله‌های موج گرانرو بگذرند. موج گرانرو سرعت الکترون‌ها را آنقدر کم می‌کند که حرکت آن‌ها کندتر از حرکت موج می‌شود، آن‌وقت قلة بعدی از راه می‌رسد و دوباره به الکترون‌ها شتاب می‌دهد، به این ترتیب الکترون‌ها به دام می‌افتند و در دره‌های موج گرانرو پس و پیش می‌شوند. در این هنگام عمل تقویت متوقف می‌شود. به این ترتیب باریکة پر انرژی الکترون به باریکه‌ای غیر یکدست با انرژی کمتر تبدیل می‌شود که در آن ناحیه‌هایی که چگالی الکترون در آن‌ها زیاد است متناوباً با نواحی کم چگالی جا عوض می‌کنند. در مثال موج سواری، مثل این است که دریای مملو از تخته‌های موج سواری با تراکم نسبتاً یکنواخت، به دریایی تبدیل شود که در آن اغلب تخته‌ها موج خاصی را "سوارشده" باشند.