【基本】自由電子レーザー

自由電子レーザー(FEL:Free Electron Laser)は、自由電子と電磁場の共鳴を利用してコヒーレントな光を発生させるレーザーです。媒質によって光の波長が決まる一般的なレーザーとは異なり、電気的な操作で波長を変えることができます。軟X線、紫外光、可視光、遠赤外光まで幅広い波長を取り出すことができます。

電子ビームを供給する電子加速器、光を発生させ増幅するウィグラーまたはアンジュレータ、光共振器から構成されています。ウィグラーまたはアンジュレータは、挿入光源とよばれ、永久磁石を規則的に並べたユニットを向かい合わせ、その間を蛇行しながら電子ビームが進行していく装置です。この電子ビームが蛇行しながら進むことで、周期的に変化する横磁場により正弦波状に進行することになりシンクロトロン放射(SR)光が発生します。SR光とは、光速度に極めて近い高エネルギーの荷電粒子が、その進行方向を磁場などによって変えられた際に発生する電磁波のことです。この光を合わせ鏡で構成した光共振器内で共振させることでレーザー発振を実現します。

電子ビームのエネルギー、挿入光源の磁場の周期長、磁束密度のいずれかを変えると波長が変化します。広い波長域で連続的に波長を変化させることができ、メガW級の高出力、高効率なレーザーになると期待されています。

自由電子レーザーの原理となるアイデアは、1950年代にMotzおよびPhilipsのマイクロ波発生実験にあります。その後、1977年にスタンフォード大学で赤外域の3.4μmの波長での発振に世界で初めて成功し、1983年にはフランスで可視光650nmの発振に成功しました。

X線領域の波長のFELは、X線自由電子レーザー(XFLE:X-ray free-electron laser:) と呼ばれています。波長 0.1 nm以下を目指したXFEL発振装置は、米国 (SLAC LCLS)、日本 (SACLA)で稼働中であり、ヨーロッパでも開発が進められています。

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