Laser a elettroni liberi

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    Il laser a elettroni liberi (FEL da Free Electron Laser) è un particolare tipo di laser in cui l’elemento ottico, cioè il mezzo che viene eccitato per la produzione dei fotoni è composto da un fascio di elettroni molto veloci (relativistici).

    • Quando gli elettroni sono forzati a muoversi lungo una traiettoria curva emettono energia elettromagnetica la cui frequenza dipende sia dalla velocità degli elettroni, sia dalla curvatura della loro traiettoria.
    • Nel FEL la traiettoria degli elettroni è curvata grazie all’uso di un dispositivo costituito da una sequenza di magneti disposti con i poli nord e sud alternati detto ondulatore.
    • La radiazione così prodotta è catturata dagli specchi posti agli estremi di una cavità risonante.
    • Il moto oscillatorio degli elettroni tra i magneti dell’ondulatore resta in fase con la radiazione, e causa quindi l’amplificazione della luce, esattamente come avviene in un laser ordinario.
    • Regolando velocità degli elettroni, e il campo magnetico dell’ondulatore, si può ottenere emissione di fotoni a diverse frequenze, dalle microonde alla luce visibile. A differenza di un laser ordinario, quindi, la radiazione emessa dal FEL è ampiamente regolabile.

    Nel 1977 J.M.J. Madey e collaboratori realizzarono, presso la Università di Stanford, il primo Laser ad Elettroni Liberi, che emetteva radiazione coerente infrarossa ad una lunghezza d’onda λ = 3.417 mm, con una larghezza di banda Δλ = 8 nm; la potenza media del laser era pari a circa 0.36 W. La caratteristica rivoluzionaria di questo laser era che non si sfruttava il fenomeno dell’emissione stimolata da parte di un sistema atomico o molecolare; l’emissione era invece generata dall’interazione di un fascio di elettroni relativistici con un campo magnetico statico.

    L’emissione di radiazione elettromagnetica da parte di una carica libera sembra violare alcuni fondamentali principi di conservazione, tuttavia, quando la carica interagisce con un campo esterno è il campo stesso che permette la conservazione del momento. Elenchiamo qui di seguito alcuni esempi di un tale meccanismo:

    • Emissione di luce di sincrotrone: in questo caso il campo necessario per garantire la conservazione del momento è il campo magnetico generato dai magneti curvanti.
    • Bremsstrahlung: in questo caso il campo esterno è il campo coulombiano dei nuclei atomici del bersaglio
    • Scattering Compton: in questo caso è il campo elettromagnetico dell’onda incidente che permette di rispettare le leggi di conservazione
    • Radiazione di Smith-Purcell: è la radiazione generata quando una carica passa vicina a una griglia metallica; qui il campo è generato dalle cariche indotte sulla superficie della griglia stessa
    • Radiazione Cherenkov: è la radiazione generata da una carica che si muova in un mezzo a velocità superiore a quella della luce nello stesso mezzo; il campo viene generato dalla polarizzazione asimmetrica indotta nel mezzo.

    In termini più squisitamente scientifici, la tecnologia FEL si basa su una combinazione tra una radiazione caratterizzata da una lunghezza d’onda ampia e continuamente regolabile con impulsi ultrabrevi e la coerenza dei laser, in grado di garantire livelli energetici superiori. Il sistema, che copre lo spettro dei terahertz, infrarosso e ultravioletto fino ai raggi X duri, produce flash di luce estremamente brevi (femtosecondi) caratterizzati da intensità straordinarie a lunghezze d’onda brevi.

    I FEL possono essere paragonati a fotocamere con flash per il mondo molecolare, in grado di aggiungere la scala temporale dei femtosecondi alla microscopia nanometrica. Questo può essere usato per osservare fenomeni complicati e aprire la strada a nuove opportunità di ricerca in numerose discipline scientifiche, dalla fisica degli atomi, delle molecole e dei cluster alla fisica del plasma, alla chimica, alle scienze dei materiali e dei biomateriali.

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