|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Лазер на свободных электронах |
 |
Лазер на свободных электронах
Описание
Лазер на свободных электронах (ЛСЭ) – лазер, излучение которого происходит благодаря колебательно-поступательному движению электронов в магнитном поле. Такие лазеры служат для генерации и усиления электромагнитного излучения с практически любой длиной волны. В качестве рабочей среды в них используется пучок ультрарелятивистских электронов, проходящий через знакопеременное периодическое поле, формируемое устройством, называемым ондулятором (рис.1).
Общая схема лазера на свободных электронах. Показана траектория одной частицы, проходящей через ондулятор
Рис. 1.
Принцип действия лазера состоит в следующем. Пучок электронов пролетает через секцию со знакопеременным магнитным полем - ондулятор. Под действием этого поля электроны вынуждены лететь не по прямой, а по некоей синусоидальной, волнообразной траектории. Совершая это движение, релятивистские электроны излучают свет, который по прямой попадает в оптический резонатор, представляющий собою толстую трубу, внутри которой — вакуум (10-10 мм.рт.ст.). На противоположных концах трубы — два массивных медных зеркала, образующие лазерный резонатор. Проходя от зеркала к зеркалу, свет набирает необходимую мощность, часть которой выводится к потребителю. Электроны же, отдавшие энергию в электромагнитное излучение, разворачиваются через систему поворотных магнитов, возвращаются в ВЧ-резонаторы и там тормозятся. После этого их остается только собрать в поглотителе. Процесс этот называется рекуперацией энергии пучка. Благодаря ему сильно снижается радиационная опасность установки.
ЛСЭ имеют несколько особенностей, отличающих их от других лазеров. Во-первых, длина волны излучения определяется параметрами ондулятора и энергией электронов, а, следовательно, может быть практически любой (от ангстрема до сантиметра) и плавно перестраиваться. Во-вторых, наличие электронных пучков со средней мощностью порядка десятков мегаватт и средней плотностью мощности до сотни мегаватт на квадратный миллиметр позволяет создавать ЛСЭ средней мощностью до нескольких мегаватт. В-третьих, относительно малая оптическая плотность и ''простота'' рабочей среды позволяют получать излучение с предельно малой (дифракционной) угловой расходимостью.
Ключевые слова
Области техники и экономики
Применение эффекта
Исторически, самая первая экспериментальная установка ЛСЭ вступила в строй в Америке в 1977 году, после чего это направление стало очень бурно развиваться. Сейчас в мире имеется около пятидесяти таких устройств с разными параметрами. Самая большая мощность — 14 кВт — у американской установки из лаборатории им. Джефферсона. В России установка ЛСЭ заработала в 2003 г. в Сибирском центре фотохимических исследований СО РАН (г.Новосибирск), когда была получена генерация излучения на первой очереди мощного лазера на свободных электронах. К этому результату сибирские ученые шли более 10 лет. Длина волны полученного излучения — около 100 микрон, измеренная средняя внутрирезонаторная мощность — 2 кВт. На 2008г. готовится запуск второй очереди лазера.
С точки зрения теории, еще в 1947г. В.Л.Гинзбург рассмотрел
Лазеры на свободных электронах находят много разных применений, поскольку позволяют получать электромагнитное излучение в недостижимых ранее диапазонах длин волн. В частности, одно из магистральных направлений — рентгеновские лазеры на свободных электронах, источники когерентного рентгеновского излучения. Возможно и применение ЛСЭ в медицине.
Существуют также разные технологические применения. Уже проведены эксперименты по получению нанотрубок и наночастиц при помощи излучения ЛСЭ. Проводятся эксперименты по модификации поверхностей.
Реализации эффекта
Исследования G. Edwards и его коллег в Vanderbilt's FEL Center в 1994 показали, что излучение ЛСЭ на длине волны 6.45 мкм позволяет разрезать, или аблировать, мягкие ткани, такие как кожа, роговица, серое вещество, с минимальным уроном для окружающих тканей. Это привело к дальнейшим исследованиям и в конечном счете к хирургическим операциям на человеке, впервые с использованием ЛСЭ.
Начиная с 1999, M. Copeland и P.Konrad провели три хирургические операции, в которых была удалена менингиома опухоли головного мозга. В дальнейшем были проведены еще пять операций, касающиеся удаления нервной ткани.
Такие успешные результаты инициировали ряд последующих хирургических экспериментов и попыток создания компактных медицинских перестраиваемых лазеров.
В 2006г. на ежегодном собрании American Society for Laser Medicine and Surgery ряд докторов сообщил о возможных медицинских приложениях ЛСЭ в сжигании жиров без воздействия на близлежащую кожу. Было сказано, что лазерное излучение нагревает воду, содержащуюся в тканях, однако при работе на длинах волн 915, 1210 и 1720нм подкожные липиды дифференциально нагреваются гораздо сильнее воды, что приводит к их гибели и дальнейшему выводу из организма через лимфатическую систему.
Литература
1. Курилко В.И., Ткач Ю.В. // УФН. 1995. т.165, №3. с.241.
2. Рагозин Е.Н., Собельман И.И. //УФН. 2004. т.174,№2. с.207.
Ускорители заряженных частиц и плазмы
Квантовая электроника
Электровакуумные и газоразрядные приборы и устройства
Трансформаторы и электрические реакторы
Электрические аппараты
Электрические машины