Лазер на свободных электронах (Free Electron Laser, FEL) — это тип лазера, который использует свободные электроны, движущиеся с релятивистскими скоростями, для генерации лазерного света. Основные принципы работы FEL включают следующие ключевые аспекты:

Электронный пучок: В лазерах на свободных электронах используются электронные пучки, которые могут быть ускорены до очень высоких энергий, часто до релятивистских скоростей (близких к скорости света) с помощью линейных ускорителей (LINAC).

Модуляция: Электронные пучки проходят через структуру, называемую "ламинарным магнитным полем" (или "магнитная решетка"), которая состоит из постоянных магнитов, создающих периодическое магнитное поле. Это поле вызывает модуляцию скорости электронов, формируя "щелевые" или "пулевые" структуры, которые обеспечивают синхронизацию электрического поля света с движением электронов.

Излучение: Когда свободные электроны движутся через магнитное поле, они излучают фотонное излучение в форме синхротронного излучения. Излучение, генерируемое несколькими электронами, усиливается за счет взаимодействия с другими электронами в пучке, что приводит к образованию координированной волны света, которая становится когерентной и узкополосной, как в обычных лазерах.

Отсутствие резонатора: В отличие от традиционных лазеров, где используется оптический резонатор для создания обратной связи и усиления излучения, в лазерах на свободных электронах резонатор не требуется. Вместо этого они предоставляют возможность варьировать длину волны излучения, изменяя параметры магнитного поля или энергии электронного пучка.

Основные отличия от обычных лазеров:

Активная среда: В обычных лазерах используется активная среда (например, газ, полупроводник, кристалл), в которую вводится энергия и возникают инверсные населенности. В FEL основным источником излучения являются свободные электроны.

Гибкость длины волны: Длина волны излучения FEL может быть легко изменена, в то время как у традиционных лазеров она фиксирована для данного материала или конструкции.

Энергетические масштабы: FEL может генерировать излучение в более широком диапазоне длин волн, включая рентгеновские и инфракрасные диапазоны, что делает их мощными инструментами в научных исследованиях.

Конструкция: Обычные лазеры обычно имеют более компактную конструкцию по сравнению с лазерами на свободных электронах, которые требуют значительных размеров для установки импульсных магнитных систем и линейных ускорителей.

Таким образом, лазеры на свободных электронах представляют собой мощный класс лазеров с уникальными возможностями, отличающимися от традиционных лазеров с резонатором.