自由電子レーザー
自由電子レーザー（じゆうでんしレーザー、英: 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[1]。
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。
真空紫外線、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、自己増幅自然放射[2] (英: 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跡を描く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自然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出光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出光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 (英: X-ray free-electron laser: XFEL) と呼ぶ。SASEによる {{safesubst:#invoke:val|main}} 以下を目指したXFEL発振装置は2014年の時点において、米国 (SLAC Linac Coherent Light Source: LCLS)、日本 (SACLA)が稼働中であり、ヨーロッパ (European XFEL[3], Swiss FEL[4]) などにて建設が進められている。
脚注
- ↑ “Free-Electron-Laser”. Office of Naval Research. . 2017-3-29閲覧.
- ↑ “自由電子レーザー装置 (08-01-03-15)”. ATOMICA. . 2016閲覧.
- ↑ European XFEL
- ↑ SwissFEL