自由電子レーザー

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自由電子レーザー (じゆうでんしレーザー、: free electron laser: FEL) は、自由電子のビームと電磁場との共鳴的な相互作用によってコヒーレント光を発生させる方式のレーザーである。

媒質によって発する光の波長が決まる一般のレーザーと異なり、電気的な操作によって波長を自由に変えることができるという特徴を持ち、軟X線紫外域可視光線遠赤外域まで幅広い波長の光を取り出すことができる。出力もメガワット級まで実用化することができるといわれ、兵器として実用化を目指す研究も行われている。

原理[編集]

X線自由電子レーザー発振の原理

自由電子レーザーを作るために、自由電子を相対論的な速度にまで加速させる。自由電子は光線経路に沿って交互に磁石を配置した周期的な横の磁場を通り抜ける。磁界が光線の電子に正弦波経路を通ることを強いるので、この経路に沿っで蛇行させられた自由電子はシンクロトロン放射光を発生する。この光を合わせ鏡で構成された光共振器内に閉じ込め、電子ビームと何百回も共鳴的な相互作用をさせることによりレーザー発振を行う。発信される光の波長は電子ビームと磁気強度によって変化するので、自由電子レーザーは光の波長を自由にコントロールできる。なお、この多数の磁石で構成された装置をアンジュレータと呼ぶ。

真空紫外、X線領域においては光共振器を構成するための高い反射率を持つ鏡が存在しないため、自然放射の自己増幅 (Self Amplified Spontanious Emission: SASE) という方式が採用されることが多い。電子ビームは、アンジュレータ磁場を通過する際に蛇行した軌道を取るため光速に比べるとゆっくりと進む。そこで、アンジュレータ磁場の上流部を通過する電子から放出された光は電子ビームと相互作用を行うことが可能となる。上流部で発生した自然放射のうち大きな強度を持つ部分が電子ビームの密度分布に変調を与え、その変調によりその波長において更に強い光が発生する。このような過程を繰り返すことにより自然放射に比べ桁違いに強度の大きな光を発生する。

種となる光の発生は偶然により決定される (熱雑音から発生する) ため、SASEの波長スペクトラムおよび時間構造は、微細に観測すると複数の鋭いピークの集まりとなることが多い。アンジュレータの長さが長くなるとSASE強度は強くなるが、ある長さを超えるとその値はほぼ一定に飽和する。

X線領域の波長のFELをX線自由電子レーザー (X-ray free-electron laser: XFEL) と呼ぶ。SASEによる0.1 nm以下を目指したXFEL発振装置は2008年の時点において、米国 (SLAC Linac Coherent Light Source: LCLS)、日本 (理化学研究所)、ヨーロッパ (European XFEL) にて建設が進められている。

関連項目[編集]

外部リンク[編集]