مترجم: احمد رازیانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
کیفیت باریکة الکترون اولیه نقش تعیین کننده‌ای در مکانیسم دام‌اندازی دارد. هر چه دمای باریکه کمتر باشد توزیع سرعت در آن باریکتر است و کارایی لیزر الکترون آزاد بیشتر خواهد بود. اگر گستردگی توزیع سرعت در باریکه خیلی زیاد باشد، بسیاری از الکترونها به جای آنکه بخش قابل توجهی از انرژی خود را از دست بدهند و به دام موج گرانرو بیفتند، بی‌آنکه سرعتشان در مجموع تغییر کند، از میدان ویگلر می‌گذرند. گستردگی مناسب برای توزیع سرعت در باریکه بستگی به نوع باریکه و پارامترهای ویگلر دارد. هر چه طول موج کار لیزر کوچکتر شود قیدها شدیدتر می‌شوند، طوری که برای کار لیزر در فرابنفش مشکلات شدیدی پیش می‌آید.
لیزر الکترون آزاد در ساده‌ترین شکلش مثل تقویت‌کننده‌ای است که توان موج الکترومغناطیسی گذرنده از کاواک را افزایش می‌دهد. لیزر الکترون آزاد کارهای دیگری نیز می‌تواند انجام بدهد. می‌تواند به صورت نوسانگر عمل کند: موج الکترومغناطیسی از آینه‌های دو سر کاواک ویگلر بازتابیده می‌شود به طوری که پرتو بارها در داخل سیستم رفت و آمد می‌کند و در هر گذر مقداری انرژی از باریکة الکترون دریافت می‌کند. این لیزر حتی می‌تواند به صورت تقویت کنندة ابر‌تابنده عمل کند، که در آن باریکة الکترون امواج الکترومغناطیسی کتره‌ای ("نوفة شلیک") را که از کاواک ویگلر می‌گذرند تقویت می‌کند.
اگرچه اصول کار لیزر الکترون آزاد نسبتا ساده است ولی عملی کردن این اصول بسیار دشوار بوده است اولین بار هانس‌ماتز از دانشگاه استانفورد طیف گسیلی باریکة الکترون در میدان مغناطیسی مواج را در سال 1951 محاسبه کرد. او و همکارانش ابتدا نورسبز آبی ناهمدوس تولید کردند و بعد موفق شدند که به تقویت همدوس در طول موج‌های میلی‌متری دست بیابند. چون کیفیت باریکة الکترون خوب نبود، ماتز و همکارانش نتوانستند نور همدوس در طول موج‌های مرئی تولید کنند.
در سال 1957 رابرت فیلیپس از شرکت جنرال الکتریک کاربرد میدان‌های مغناطیسی مواج در تقویت میکروموج را مستقلاً کشف کرد. او یوبیترون خود را طی هفت سال تکامل بخشید و طرح‌های متعددی ارائه کرد که هنوز به کار می‌روند. یکی از دستگاه‌های او 150 کیلووات پرتو میکروموج همدوس در طول موج 5 میلی‌متر تولید می‌کرد. فیلیپس از نظر زمانی بدشانسی آورد، زیرا در آن زمان دنیای الکترونیک دوران انتقال از الکترونیک لامپی به الکترونیک حالت جامد و قطعات مبتنی بر مکانیک کوانتومی را می‌گذراند و جنرال الکتریک ساخت یوبیترون را در سال 1964 متوقف کرد.
لیزر الکترون آزاد در سال 1975/1354 بار دیگر مورد توجه قرار گرفت. این هنگامی بود که میدی (کسی که اصطلاح لیزر الکترون آزاد را رایج کرد) و همکارانش در استانفورد با استفاده از یک ویگلر مار پیچی و باریکة الکترونی که از یک شتابدهندة خطی می‌گرفتند توانستند خروجی لیزر CO2 با طول موج 6ر10 میکرون را تقویت کنند. موفقیت میدی مرهون پیشرفت‌هایی بود که تکنولوژی شتابدهندههای خطی و طراحی ویگلر حاصل شد.
هم‌زمان با تحقیقات استانفورد، آزمایشگران در چندین مرکز کاربر روی لیزرهای الکترون آزاد میکروموجی (اخلاف یوبیترون) را شروع کردند. هدف از طرح‌هایی که در آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی دریایی، دانشگاه کلمبیا، و مؤسسة تکنولوژی ماساچوست (MIT) اجرا می‌شد، تولید تپ‌های کوتاه با توان قلة بسیار زیاد بود. به فاصلة کوتاهی طرح‌های دیگری در اکول‌پلی‌تکنیک فرانسه، شرکت TRW، و آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور آغاز شد. (در بسیاری از کاربردها تپ‌های کوتاه بر تپ‌های بلند با همان توان متوسط، برتری دارد، زیرا با تپ‌های کوتاه، قبل از آنکه باریکة فرودی حالت هدف را به طور قابل توجهی تغییر بدهد، تعداد بیشتری فوتون تحویل هدف می‌شود.) آزمایشگران از باریکه‌های الکترونی قوی با انرژی‌های بیش از یک میلیون الکترون‌ولت (MEV) و جریان‌های بیش از 1000 آمپر استفاده می‌کردند. گسترة توان قله از دو مگاوات در طول موج دو میلی‌متر در کلمبیا تا یک جیگاوات در طول موج هشت میلی‌متر در لیومور را شامل می‌شد. لیزر لیومور 35 درصد انرژی باریکة الکترون‌اش را به وسیلة ویگلر نایکنواخت به پرتو الکترومغناطیسی تبدیل می‌کرد.
تازه در سال 1987/1366 بود که اولین لیزر الکترون آزاد نور مرئی با استفاده از حلقة انباشت الکترون ACQ دانشگاه پاریس در ارسی ساخته شد. از آن موقع تاکنون لیزر الکترون آزاد دیگری در مجاورت حلقة انباشت در نووسیبرسک در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شده که نور مرئی گسیل می‌کند. لیزر الکترون آزاد نور مرئی در استانفورد و بخش فضایی شرکت بویینگ در امریکا نیز با استفاده از شتابدهندههای خطی رادیو ـ بسامدی ساخته شده است.
در حال حاضر کار روی لیزرهای الکترون آزاد، هم در طول‌موج‌های مرئی و هم در طول‌موج‌های میلی‌متری ادامه دارد. هدف اصلی پژوهشگران رسیدن به توان‌های بیشتر، بخصوص توان‌های متوسط بیشتر، و طول‌موج‌های کوتاه‌تر است. نیل به این هدف‌ها مستلزم پیشرفت‌هایی است در طراحی شتابدهندة الکترون، تا بتواند باریکه‌هایی شدیدتر و یکنواخت‌تر تولید کند و همچنین در طراحی ویگلر، تا بتواند انرژی بیشتری از الکترونها بگیرد و آن را در طول موج‌های کوتاه‌تر نور جفت کند.
بازده لیزر الکترون آزاد ساده‌ای که به ویگلر یکنواخت مجهز باشد حدی دارد. در بهترین شرایط، الکترون‌هایی که از چنین سیستمی می‌گذرند می‌توانند 12 درصد از انرژی خود را به نوری که از کاواک می‌گذرد انتقال بدهند. با از دست دادن این مقدار انرژی، الکترونها در دام موج گرانرو می‌افتند. سرعت آنها آن‌قدر کم می‌شود که دیگر نمی‌توانند به طور مؤثر انرژی به موج انتقال بدهند. برای افزایش بازده باید راهی پیدا کرد که یا حرکت موج گرانرو و طوری آهسته شود که با سرعت الکترون تطبیق کند و یا الکترونها چنان سرعتی کسب کنند که با موج گرانرو هم‌گام بمانند.
برای حفظ سرعت پیشروی باریکه معمولاً لازم است که دامنه و یا دورة ویگلر، دوک‌وار کاهش بیابد. باریکة الکترون در ابتدای ورودش به ویگلر اساساً در خط راست حرکت می‌کند، یعنی کل سرعتش در امتداد محور است. میدان مغناطیسی ویگلر باعث خمش باریکه در امتداد عرضی می‌شود. این کار از سرعت پیشروی می‌کاهد و بخشی از آن را به سرعت عرضی تبدیل می‌کند. البته، این مؤلفة محوری سرعت است که باید با سرعت موج گرانرو تطبیق کند.
کاهش تدریجی شدت میدان ویگلر و یا دورة آن بین دو سر کاواک، سرعت عرضی الکترون را کم می‌کند و آن را دوباره به سرعت محوری تبدیل می‌کند. به این ترتیب با آنکه باریکة الکترون به موج نور انرژی می‌دهد و آن را تقویت می‌کند، حرکت پیش‌روندة باریکه حفظ می‌شود. در این صورت گردش‌های عرضی الکترونها کوچکتر خواهد بود و بنابراین سرعت محوری لازم برای همگامی با پیشرفت موج گرانرو، حتی وقتی که سرعت کل کاهش می‌یابد، حفظ می‌شود.
در یک لیزر الکترون آزاد با ویگلر دوکی، به دام افتادن باریکة الکترون در دره‌های موج گرانرو به معنی پایان انتقال انرژی نیست. همچنان که ویگلر ضعیف می‌شود الکترون‌های به دام افتاده سرعت محوری کسب می‌کنند که باعث سوار شدن آنها بر قله‌های موج گرانرو می‌شود و عمل تقویت ادامه می‌یابد. در لیورمور ویگلر دوکی در لیزر الکترون آزاد با طول موج میلی‌متری، 35 درصد انرژی باریکة الکترون را می‌گیرد و به تابش الکترومغناطیسی تبدیل می‌کند، در حالی که ویگلر یکنواخت در همین سیستم فقط 6 درصد انرژی را کسب می‌کند. محاسبات نظری نشان می‌دهند که ویگلر دوکی می‌تواند تا 65 درصد از انرژی باریکة الکترون را به پرتو همدوس تبدیل کند.
