لیزر الکترون آزاد (FEL)[1] طرحی کلاسیکی است که می تواند تابش همدوس با توان بالا در ناحیه وسیعی از طیف الکترومغناطیس بسازد. در حالی که لیزرهای گازی و لیزر های حالت جامد فقط در طول موج‌های تابش دارند که در اصطلاح مکانیک کوانتمی معادل با گذار الکترون از یک تراز انرژی به تراز دیگر باشد. لیزرهای رنگ نیز، دریک محدوده طیفی محدود کوک پذیر هستند و نیاز به یک لیزر گازی برای پمپاژ دارند و به طور نسبی در ترازهای توان پایین به فعالیت واداشته می شوند. علاوه بر این، لیزر معمولی به طور متداول تنها چند درصد انرژی دریافتی به نور تبدیل می‌کند، محاسبات نظری نشان می‌دهد که لیزر الکترون آزاد قادر است به بازده بالای 65٪ دست یابد در حالی که راندمان آن 40٪ در آزمایشگاه نشان داده شده است. در یک لیزر معمولی موج الکترومغناطیس در یک تشدید کننده با عبورهای متوالی از محیط فعال و با بهره گیری از فرآیند گسیل القایی تقویت می‌شود اما در لیزر الکترون آزاد مبادله انرژی از طریق برهمکنش موج الکترومغناطیسی با باریکه الکترونی که در میدان حرکت می‌کند، صورت می‌گیرد.

در سال 1951 هانز ماتس[2] از دانشگاه استنفورد به طور تحلیلی نشان داد که موج تابشی می‌تواند همراه باریکه الکترونی عبور کننده از میان موجبر مغناطیسی تقویت شود[3-1]. که این تحلیل، بعدها پایه تئوری عملکرد لیزر الکترون آزاد شد. ماتس و همکارانش در مدت کوتاهی با انجام آزمایشات، موفق به تولید دو تابش ناهمدوس در بخش آبی- سبز طیف و انتشار همدوس در طول موج‌های میلیمتری طیف شدند. استفاده از میدان‌های مغناطیسی متناوب در میزر (تقویت مایکروویو از طریق گسیل القائی تابش) برای توان‌های بالاتر، توسط تیوپ‌های مایکروویو قابل دسترس، به طور مستقل توسط رابرت فیلیپس[3] در سال 1957 انجام شد[4،5]. واژه یوبیترون [4] در این زمان به عنوان مخفف برای برهمکنش باریکه نوسانی مورد استفاده قرار گرفت. با این حال، استفاده از لیزر الکترون آزاد به رسمیت شناخته نشده بود، برنامه یوبیترون در سال 1964 به علت یک تغییر کلی در استفاده از خلاء در فیزیک حالت جامد و فیزیک کوانتومی، متوقف شد. ظهور مجدد علاقه به این مفهوم، در اواخر سال 1970 هنگامی که میدی[5] و همکارانش دستگاه لیزر الکترون آزاد را که در طول موج‌های مادون قرمز عمل می‌کرد، تولید کردند، روز افزون گشت[6]. اصطلاح لیزر الکترون آزاد در سال 1975 توسط جان میدی[6] برای توصیف یک آزمایش در دانشگاه استنفورد، استفاده شد[8،7]. در این آزمایش با استفاده از باریکه الکترونی شتاب‌دهنده خطی فرکانس رادیویی، یک گسیل القایی با طول موج mμ 6/10 در محدوده فروسرخ طیف تولید شد[11-9]. اولین لیزر نوری الکترون آزاد اپتیکی با استفاده از حلقه‌های ذخیره سازی انباشتی در دانشگاه پاریس ساخته شده است که روی بیش از یک طیف گسترده تنظیم پذیر بود[15-12].

طرح‌های کاربردی از لیزر الکترون آزاد در این زمانه، طیف وسیعی از آزمایشات فیزیک حالت جامد تا زیست شناسی مولکولی را در بر می‌گیرد و طرح‌های جدید گوناگونی برای اهداف ارتباطاتی، راداری و … در حال توسعه هستند. علاوه بر کارهای پژوهشی، لیزر الکترون آزاد در زمینه های چون گرم کردن پلاسمای محصور شده به طریق مغناطیسی و برای گداز هسته ای کنترل شده، استفاده می‌شود. لیزرهای الکترون آزاد بخصوص برای جراحی مناسب‌اند. کاربرد بحث انگیز لیزرهای الکترون آزاد با توان زیاد و تپ بلند در امور نظامی از جمله در انهدام موشکهای بالستیکی است. در آزمایش‌های اولیه پژوهشگران از یک ویگلر صفحه ای به طول 15 متر با دوره ثابت و دامنه یکنواخت استفاده کردند، از آن موقع تا کنون طول ویگلر به 25 متر رسانده اند و برای بالا بردن بازه تبدیل انرژی، کارهای در جهت دوکی شکل کردن ویگلر در جریان است. در حال حاضر، لیزر الکترون آزاد تا حد زیادی به آزمایشگاه محدود شده است. هم اکنون، اصول بنیادی لیزر الکترون آزاد به خوبی درک شده و هدف پژوهش‌ها در مرحله اول توسعه و تکامل چشمه‌های باریکه الکترون و طرح‌های ویگلر است[16].

1-2- اجزاء لیزر الکترون آزاد

در شکل (1-1) نمایی کلی از لیزر الکترون آزاد نشان داده شده است، همانطور که می‌بینیم لیزر الکترون آزاد از 2 بخش اساسی تشکیل شده است:

الف) میدان مغناطیسی دوره ای: به وسیله تعدادی آهنربا ( دائمی یا الکتریکی[7]) که موسوم به ویگلر[8] یا آندیولیتری[9] است، ایجاد می‌شود که توسط آن انرژی جنبشی الکترون‌ها به موج الکترومغناطیسی منتقل شده و سبب تقویت موج الکترومغناطیس می شود. این میدان ویگلر باعث حرکت تناوبی در الکترون‌ها می شود.

شکل(1-1)- نمایی کلی از لیزر الکترون آزاد

نکته دیگر در طراحی ویگلر، انتخاب ویگلر تخت[10] و یا مارپیچی[11] می باشد. ویگلر پیچشی در اثر عبور جریان از سیم پیچ مارپیچی ایجاد می‌شود و در این نوع ویگلر میدان مغناطیسی از محور تقارن به سمت خارج افزایش می‌یابد و این افزایش میدانی عاملی است که از دور شدن الکترون‌ها از محور تقارن در اثر نیروی دافعه بینشان جلوگیری می‌کند و باریکه الکترون را در مسیری حلزونی هدایت می‌کند. در ساخت ویگلر تخت از آهنرباهای دائمی استفاده می‌شود که ساخت آن ساده تر و کم هزینه تر از ویگلر مارپیچی هست و تنظیمش ساده‌تر می‌باشد و قابل تنظیم بودن شدت میدان مغناطیسی و طول موج ویگلر مزیت ویگلر تخت هست که از آن برای ساخت ویگلرهای دوکی شکل (ویگلر باریک شونده[12]) می‌توان استفاده کرد.[16]

میدان ویگلر تخت از ترکیب آهنرباهای دائمی ساخته می شود، تک بعدی می باشد و به صورت زیر می‌باشد:

میدان ویگلر پیچشی سه بعدی در تقریب یک بعدی ، به صورت زیر نوشته می شود:

که به این ویگلر مارپیچی ایده آل می گویند[17،16].

شکل(1-2)- نمایی از ویگلر مارپیچی

ب) شتابدهنده: الکترون ها در شتاب دهنده سرعت می‌گیرند و با سرعتی نزدیک به سرعت نور به داخل میدان مغناطیسی ویگلر فرستاده می‌شوند. هر نوع شتاب‌دهنده طیف محدودی از طول موج تابشی مورد استفاده را تولید می‌کند، که در شکل (1-3) طیف تقریبی طول موجی که هر شتاب‌دهنده تولید می‌کند را نشان داده ایم :

شکل(1-3)- طیف تقریبی طول موجی که توسط هر یک از شتاب‌دهنده ها حاصل می گردد.

[1] free electron laser

[2] Motz

[3] Robert Philips

[4] Ubitron

[5] Madey

[6] Jahn Madey

[7] Electromagnet

[8] Wiggler

[9] Undulator

[10] Planar

[11] Helical

[12] Trapered wiggler