مترجم: احمد رازیانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
برای کسی که مثلاً در فیزیک حالت جامد می‌تواند برای ایجاد حالت‌های برانگیخته در جامدهای بلوری و اریخت از باریکه‌های پر قدرتی از نور تکفام استفاده کند، بی‌قوارگی تسهیلات لیزر الکترون آزاد اشکال چندانی ندارد. قابل تنظیم بودن طول موج به آزمایشگران امکان می‌دهد که انرژی فوتون را با گذارهای مختلف تطبیق بدهند. لیزرهای الکترون آزادی که با شتابدهنده‌های خطی رادیو ـ بسامدی، میکروترون، و یا حلقة انباشت کار می‌کنند برای این نوع آزمایش‌ها ایده‌آلند، زیرا تپ‌های نوری پیکو ثانیه‌ای که آن‌ها تولید می‌کنند برای تحریک الکترون‌ها و تعقیب جزئیات واپاشی حالت‌های انرژی بسیار مناسبند. لیزر الکترون آزاد به خاطر توان زیاد، همدوسی، و بسیار کوتاه بودن تپ‌ها، در آزمایش‌هایی که در زمینه‌های دیگر به بررسی دینامیک فرایندهای فیزیکی اختصاص دارد، از جمله در شیمی احتراق، طیف سنجی فلوئورسانی با تفکیک زیاد، و در یونش چند فوتونی آبگون‌ها، خیلی ارزشمند است. همدوسی زیاد نور لیزرهای الکترون آزاد مزیتی است نسبت به چشمه‌های نور سنکروترونی، که قابل کوک ولی ناهمدوسند.
علاوه بر کاربردهای پژوهشی، لیزر الکترون آزاد در زمینه‌هایی چون مخابرات، رادار، و گرم کردن پلاسما قابل استفاده است. لیزر الکترون آزاد می‌تواند منبع پرقدرتی برای تابش امواج میلی‌متری و میکرونی برای رادار بلند ـ برد با تفکیک زیاد باشد. از این نوع لیزر هم‌چنین می‌توان برای گرم کردن پلاسمای محصور شده به طریق مغناطیسی و برای گداز گرما هسته‌ای کنترل شده استفاده کرد. هرچند در ابتدا تصور می‌شد که پلاسمای محصور در بطری مغناطیسی چمبره‌ای شکل یا توکامک را می‌توان با گرمایش اهمی (حاصل از القای جریان در پلاسما به وسیلة سیم پیچ خارجی) به چگالی‌ها و دماهای لازم برای افروزش (گرما هسته‌ای) رساند، ولی اکنون روشن شده که به گرمایش دیگری نیاز است. جذب تشدیدی تابش در طول موج‌های میلی‌متری مطرح شده است؛ لیزر الکترون آزاد می‌تواند یکی از منابع مورد استفاده در این کار باشد.
آزمایش توکامک عمدة بعدی که در امریکا طرح شده، چمبرة افروزش فشرده است که در سال 1996 به کار خواهد افتاد. این آزمایش به تابشی با طول موج یک میلی‌متر یا کمتر با توان متوسط حدود 20 مگاوات و تپ حدود سه ثانیه نیاز دارد. هیچ چشمة تابش موجودی نمی‌تواند این خواسته‌ها را برآورده کند، اما لیزرهای الکترون آزادی که می‌توانند در این ناحیه از طیف با توان‌هایی در این سطح ولی با طول تپ کوتاه‌تر کار کنند ساخته شده‌اند. شاید بتوان طول تپ در حد نیاز گداز هسته‌ای افزایش داد.
کاربرد بحث انگیزتر لیزرهای الکترون آزاد با توان زیاد و تپ بلند در امور نظامی ـ از جمله در انهدام موشک‌های بالیستیکی ـ است. طراحان این نوع سلاح یک پایگاه لیزری زمینی در مقیاس بزرگ پیش‌بینی می‌کنند که می‌تواند به کمک آینه‌های مستقر در زمین و در مدار، نور را روی هدف هدایت کند. برای این کار طرح‌هایی مبتنی بر لیزرهای الکترون آزاد تقویت کننده و نوسانگر پیگیری می‌شود.
در آزمایش‌هایی که سال گذشته در لیورمور انجام گرفت، لیزر الکترون آزاد، تپ ورودی 14 کیلو واتی از لیزر کربن دیوکسید با طول موج 6ر10 میکرون را تا سطح هفت مگاوات تقویت کرد، ضریب تقویت 500 است. افزایش توان ورودی به 5 مگاوات به توان خروجی 50 مگاوات منجر شد. در آزمایش‌های اولیه پژوهشگران از یک ویگلر صفحه‌ای به طول 15 متر با دورة ثابت و دامنة یکنواخت استفاده کردند. از آن موقع تاکنون طول ویگلر را به 25 متر رسانده‌اند و برای بالاتر بردن بازده تبدیل انرژی، کارهایی در جهت دوکی کردن ویگلر در جریان است.
شرکت بویینگ یک نوسانگر لیزر الکترون آزاد ساخته که شامل ویگلر صفحه‌ای به طول پنج متر و شتاب‌دهندة خطی رادیو ـ بسامدی پیشرفته است. انرژی باریکه در شتابدهنده تا سطح MEV 120 می‌رسد. نوسانگر در ناحیة سرخ طیف (طول موج 62ر0 میکرون) توانی در حدود یک میلیارد برابر گسیل خود به خودی معمولی در کاواک لیزری تولید می‌کند. توان متوسط در مدت تپ 100 میکروثانیه‌ای تقریباً دو کیلو وات است. بازده تبدیل حدود یک درصد، ولی قلة توان مقدار قابل توجه 40 مگاوات است. با آنکه این نوسانگرها نوعاً هارمونیک‌هایی با طول موج کوتاه تولید می‌کنند که می‌توانند به آینه‌های کاواک آسیب برسانند، ولی تاکنون اثر نامطلوبی مشاهده نشده است. در این‌جا نیز، مثل مورد لیورمور، برای افزایش بازده، کارهایی در جهت تبدیل ویگلرهای یکنواخت به دوکی در جریان است.
اطلاعات طبقه‌بندی نشده نشان می‌دهد که اگر طول تپ‌های نور مرئی یا فروسرخ نزدیک حدود یک ثانیه و انرژی آن‌ها میان 10 تا 100 مگاژول باشد، انهدام موشک در مرحلة اوج گیری عملی است. این امر حاکی از آن است که طول تپ‌ها و یا قلة توان‌های موجود باید بیش از یک میلیون برابر شود. بسته به بازده لیزر و سختی هدف، به مجموعه‌ای از لیزرهای الکترون آزاد مستقر در زمین نیاز هست که بتواند چیزی میان 400 مگاوات تا 20 جیگاوات انرژی برای چند دقیقه، در جریان حمله، تأمین کند. (برای مقایسه، یک نیروگاه برق بزرگ حدود 1000 مگاوات انرژی تولید می‌کند.) بنابراین مطالب و دلایل دیگر، معلوم نیست که افزایش توان لیزرهای الکترون آزاد به سطوح مورد نیاز عملی باشد یا نه. آزمایش‌های فعلی و آینده به روشن شدن این مسئله کمک خواهد کرد.
لیزرهای الکترون آزاد در این کاربرد، مثل بسیاری از کاربردهای دیگر، تا رسیدن به بلوغ تکنیکی راه طولانی در پیش دارند. در حال حاضر اصول بنیادی لیزر الکترون آزاد بخوبی درک شده است، و هدف پژوهش‌ها در وهلة اول توسعه و تکامل چشمه‌های باریکة الکترون و طرح‌های ویگلر است. این نکته حائز اهمیت است که در عمدة کارهای انجام گرفته تا این تاریخ، از شتاب‌دهنده‌هایی استفاده شده است که اصولاً برای تغذیه لیزرهای الکترون آزاد طرح نشده‌اند؛ در این شتاب‌دهنده‌ها جنبه‌های کیفی باریکه، که برای عمل لیزر الکترون آزاد بسیار اهمیت دارد، به درستی منظور نشده است. تاکنون فقط شتابدهنده‌های رادیو ـ بسامدی بویینگ، شتاب‌دهندة خطی القایی لیورمور، و شتاب‌دهندة الکتروستاتیکی سانتا باربارا مخصوص لیزرهای الکترون آزاد مطرح شده‌اند.
استفاده از شتاب‌دهنده‌هایی که مخصوص به کار انداختن لیزر الکترون آزاد ساخته می‌شوند در طرح سایر قسمت‌های سیستم از جمله ویگلرتأثیر خواهد داشت. مهم‌ترین کار در طراحی ویگلرهای آینده، علاوه بر دوکی کردن آن‌ها، توسعة ویگلرهایی با دورة کوتاه است. چنین اسباب‌هایی می‌توانند به کمک باریکه‌های الکترون با ولتاژ نسبتاً کم، نور در طول موج کوتاه تولید کنند. پایین آوردن ولتاژ موردنیاز طرح شتابدهنده را ساده می‌کند و حجم حفاظ لازم در مقابل پرتوهای ایکس حاصل از باریکه را کاهش می‌دهد. این امر به کاهش ابعاد و پیچیدگی لیزرهای الکترون آزاد کمک می‌کند و به این ترتیب موارد استفاده از نور شدید و قابل کوک این لیزرها خیلی بیشتر می‌شود.
