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ⓘ XFEL




                                     

ⓘ XFEL

La classe di laser nota come XFEL è un tipo di laser a elettroni liberi dove il fascio di elettroni che produce lemissione di radiazione ha energie tali che lemissione avviene nella zona spettrale dei raggi X. Dato che la frequenza di emissione è proporzionale al quadrato dellenergia degli elettroni, le energie necessarie per arrivare nella regione spettrale dei raggi X sono molto elevate, dellordine del GeV. Macchine acceleratrici di elettroni di questa energia sono estremamente grandi, complesse e costose, così come le caratteristiche del fascio di elettroni e dei dispositivi di generazione di radiazione sono ai limiti della tecnologia. Tali difficoltà tuttavia sono controbilanciate dai potenziali vantaggi associati ad una sorgente coerente di questo tipo, con elevatissima brillanza e alle sue possibili applicazioni in molteplici campi della scienza e della tecnologia.

Molto spesso, per migliorare la coerenza del X-ray FEL, viene utilizzato un fascio laser, che si sintonizza alle frequenze super-armoniche dei raggi X-molli, in questo modo si ottiene un aumento della coerenza e dunque della potenza del fascio X-laser.

Attualmente non è stato costruito né pubblicato un progetto di esperimento per costruire un laser a raggi-X duri Lambda inferiore a 0.1 nanometri pari ad 1 Ångström

                                     

1. FEL a raggi-X

La mancanza di qualsiasi dispositivo di riflessione specchio alle lunghezze donda dellestremo ultravioletto e dei raggi-X rende impossibile il funzionamento di un oscillatore FEL; conseguentemente, deve esistere una appropriata amplificazione su di un singolo passaggio del fascio di elettroni attraverso londulatore per rendere davvero utile il FEL. I laser a raggi-X generati dai laser a elettroni liberi utilizzano lunghi ondulatori. Il principio sottostante degli intensi impulsi dal laser a raggi-X si basa sul principio della Self-Amplified Spontaneous Emission SASE, che porta al "microbunching" degli elettroni. Inizialmente, tutti gli elettroni sono distribuiti in modo regolare e possono soltanto emettere radiazione spontanea incoerente. Grazie allinterazione di questa radiazione e alloscillazione degli elettroni, questi tendono a convergere in "microbunches" separati da una distanza eguale ad una lunghezza donda della radiazione. Attraverso questa interazione, tutti gli elettroni cominciano ad emettere radiazione coerente in fase. In altre parole, tutta la radiazione emessa può rinforzarsi da sé perfettamente, laddove le creste e i declivi dellonda sono sempre sovrapposti uno sullaltra nel migliore modo possibile. Questo dà luogo ad un aumento esponenziale della potenza della radiazione emessa, portando ad alte intensità del fascio di raggi-X e alla proprietà di possedere un ristretto numero di frequenze o praticamente una sola frequenza nei laser monocromatici, in modo simile a quello di un laser.

Un approccio meno "brutale" al problema permette di liberarsi dalla associazione diretta "frequenza proporzionale al quadrato dellenergia del fascio di elettroni", che comporta la costruzioni di enormi e costosissime macchine. È infatti ipotizzabile una soluzione ibrida, oscillatore-amplificatore. La sezione oscillatore FEL opera a lunghezze donda nellUV, dove sono disponibili specchi con buona riflettività. Nella sezione amplificatore, una catena di amplificazione FEL, con ondulatori opportunamente accordati sulle armoniche della frequenza di oscillazione, permette di ottenere lemissione nella regione dei raggi X.

                                     

2. Laboratori che sperimentano con i SASE-FEL

Alcuni esempi di centri dove si studiano ed sperimentano i principi dei SASE FEL, includono i seguenti:

  • Linac Coherent Light Source LCLS dello SLAC National Accelerator Laboratory
  • PSI SwissFEL in Svizzera.
  • "Free electron LASer Hamburg" di Amburgo, in Germania FLASH
  • European x-ray free electron laser
  • SPring-8 Compact SASE Source SCSS in Giappone
                                     

3. Utilizzo delle super-armoniche dei raggi laser ottici

Un problema con i FEL SASE è la mancanza di coerenza temporale dovuta ad un processo di avviamento "rumoroso" rumore shot. Per evitare questo, si può "seminare" un FEL con un laser convenzionale sintonizzato alle armoniche superiori di risonanza donda del FEL. Questo "seed" temporalmente coerente può essere prodotto con dispositivi più convenzionali come i high-harmonic generation HHG usando limpulso di un laser ottico. Questo dà come risultato unamplificazione coerente del segnale in entrata; in effetto, la qualità del laser in uscita è caratterizzata dalle caratteristiche del "seed". Mentre i seeds HHG sono disponibili alle basse lunghezze donda dellultravioletto estremo, la procedura di seeding non è possibile alle lunghezze donda dei raggi x a causa della mancanza di laser convenzionali a raggi X.

                                     

4. Sorgente miniaturizzata di raggi X-laser

Il 27 settembre del 2009, ricercatori del Max Planck Institute per lOttica quantistica dipartimento dellUniversità di Monaco di Baviera, hanno pubblicato un articolo annunciando di essere riusciti a produrre raggi X-laser in un dispositivo relativamente piccolo, capace di stare su di un tavolo da pranzo.