Start | Aktualności | Dokumenty | Laser | Projekt | Współpraca | NCBJ


Lasery na swobodnych elektronach

Lasery na swobodnych elektronach (ang. FEL - Free Electron Laser) są urządzeniami generującymi koherentną wiązkę promieniowania o długości fali regulowanej od fal milimetrowych do promieniowania rentgenowskiego. Skonstruowanie takich urządzeń otwiera zupełnie nowy obszar badań, którego zakres trudno obecnie nawet sobie wyobrazić. Intensywność i jakość promieniowania wytwarzanego przez takie urządzenia przewyższa tysiące razy obecne źródła promieniowania. W niektórych przypadkach umożliwia uzyskania promieniowania w zakresie obecnie praktycznie niedostępnym, jak zakres terahercowy. W fizyce, chemii, biologii, materiałoznawstwie, badaniach środowiska i medycynie, lasery na swobodnych elektronach pozwolą na nowe spojrzenie do wnętrza żywych komórek, molekuł i materiałów, umożliwią badanie ich struktur oraz zachodzących tam reakcji.

Będzie to możliwe poprzez np.:

  • badanie elektronowych właściwości molekuł i skondensowanej materii
  • trójwymiarowe zdjęcia struktur atomowych
  • rejestrację procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych w wymiarach atomowych i w femtosekundowej skali czasu, np. badania stanów wzbudzonych, przebiegu reakcji chemicznych i procesów biologicznych.

Poniższy opis z konieczności nie stanowi kompletnego przeglądu możliwości oferowanych przez lasery na swobodnych elektronach, opracowanie takiego opisu jest obecnie po prostu niemożliwe. Jego celem jest raczej wskazanie na niektóre zastosowania takich urządzeń i próba usystematyzowania informacji dostępnych z różnych źródeł ze szczególnym uwzględnieniem kierunków badań rozwijanych w Polsce.
Warto podkreślić, że podjęcie prac nad budową lasera na swobodnych elektronach umożliwiłoby nie tylko udostępnienie polskim naukowcom nowoczesnego urządzenia, które może być wykorzystywane w wielu dziedzinach nauki i techniki, ale także pozwoliłoby na włączenie się w programy europejskie, takie jak np. program "Integrating Activity on Synchrotron and Free Electron Laser Science" (IA-SFS). Schematyczna mapa ilustrująca rozmieszczenie instytucji zaangażowanych w tą inicjatywę pokazana jest poniżej.

Instytucje te finansowane są z budżetu UE w ramach programu Large Scale Facility (LSF).
Wśród tych urządzeń wyróżniają się lasery na swobodnych elektronach. Zostały one wyróżnione przez komitet ESFRI przez wpisanie na listę projektów priorytetowych „IRUVX FELs Network – from infrared to soft X-rays”. Jest to rozproszone centrum badawcze obejmujące: FLASH@DESY, Hamburg; FERMI@Elettra, Trieste; 4GLS, Daresbury; BESSY, Berlin; MaxLab, Lund. Rozważane dołączenie urządzeń planowanych w Holandii, Francji i Szwajcarii.

Wydaje się, że najwyższa pora na to, aby Polska zaistniała na mapie wielkich instalacji badawczych Europy. Warto zaznaczyć, że budowa POLFEL nie stanowi konkurencji dla projektu synchrotronu krakowskiego. Te dwa źródła emitują promieniowanie o zupełnie innych charakterystykach i stanowią urządzenia komplementarne.

Badania podstawowe w zakresie nauk fizycznych.

Badania rozpraszania Comptonowskiego na protonach i neutronach pozwoli na określenie elektrycznej i magnetycznej polaryzowalności nukleonów. Polaryzowalności te są fundamentalnymi wielkościami dostarczającymi informacji o wewnętrznej strukturze nukleonów. Stosując efektywną teorię pola opartą na chromodynamice kwantowej (QCD) udało się obliczyć te polaryzowalności. Porównanie wyników obliczeń z pomiarami stanowić będzie test Chiral Perturbation Theory (CPT), a więc stanowić potwierdzenie chromodynamiki w zakresie niskich energii (poniżej 500 MeV).

Badania półprzewodników i struktur kwantowych

Lasery na swobodnych elektronach umożliwiają wytwarzanie promieniowania o długości rzędu kilku do kilkuset mikrometrów co odpowiada energiom na poziomie kilku do kilkuset MeV. Jest to zakres wielu charakterystycznych wzbudzeń w półprzewodnikach i półprzewodnikowych strukturach kwantowych takich jak: fonony, plazmony, energie wiązania atomów domieszek czy poziomy energetyczne w studniach, kropkach czy drutach kwantowych. FEL może zatem być użyty w badaniach takich struktur, np. w badaniach dynamiki relaksacji. Wysoka gęstość energii powinna również pozwolić na obserwację i analizę procesów nieliniowych.
Rozwój techniki fal milimetrowych wymaga opracowania dedykowanych urządzeń nadawczo-odbiorczych: anten hybrydowych, mikserów, filtrów itd. Urządzenia te zbudowane będą według koncepcji MEMS, dodatkową korzyścią z uruchomienia programu FEL byłby więc rozwój technik wytwarzania w skali mikro i nano.
Nowoczesną i bardzo obiecują techniką spektroskopową jest metoda pompowania i analizy (pump/probe), w której jeden impuls energii służy do wzbudzenia a drugi, opóźniony w stosunku do pierwszego, do analizy efektów wywołanych przez wzbudzenie. Użycie jako jednego ze źródeł lasera na swobodnych elektronach umożliwi precyzyjny dobór energii impulsu wzbudzającego lub analizującego. Kilka możliwych zastosowań tej techniki to:

  • Badania dynamiki nośników w supersieciach. Spodziewane jest wyjaśnienie oddziaływań wewnątrzpasmowych np. w celu budowy wydajnych laserów kaskadowych
  • Zagadnienia absorpcji w studniach kwantowych i supersieciach. Problem szerokości linii emisyjnych i dyspersji
  • Własności optyczne w zakresie podczerwieni i zakresie THz takich struktur kwantowych jak oscylatory Blocha i kwantowe lasery kaskadowe
  • Koherentne efekty rezonansowe. Intensywne impulsy laserowe mogą prowadzić do takich zjawisk jak oscylacje Rabiego
  • Wzbudzenie koherentne. Ultrakrótkie impulsy w podczerwieni mogą wpływać na dynamikę elektronów
  • Promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie terahercowym

Promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie teraherców (THz) obejmuje zakres leżący pomiędzy promieniowaniem mikrofalowym a podczerwonym. Zakres ten jest obecnie bardzo słabo poznany, co wynika głównie z trudności w generacji i detekcji takiego promieniowania. Promieniowanie terahercowe oferuje ogromne możliwości pomiarowe wynikające głównie z faktu, że w odróżnieniu od spektroskopii optycznej w zakresie tym możliwy jest bezpośredni pomiar zależności czasowych dla pola elektrycznego. Oznacza to, że spektroskopia terahercowa pozwala na bezpośrednią analizę amplitudy i fazy promieniowania, a więc składowej rzeczywistej i urojonej, bez konieczności posiłkowania się wzorami Kramersa-Kroniga. Zakres terahercowy jest typowy dla częstotliwości drgań cząsteczek cieczy i wielu molekuł, promieniowanie to może zatem służyć do identyfikacji związków chemicznych. Z tego względu zakres ten jest przedmiotem dużego zainteresowania służb specjalnych, terahercowa bramka na lotnisku mogłaby teoretycznie pozwolić na identyfikację nawet śladowych ilości substancji chemicznych wnoszonych przez człowieka na pokład samolotu.

Spektroskopia fototermiczna (PTBD)

Podstawowym zagadnieniem ekologii jest problem precyzyjnych pomiarów zanieczyszczeń w środowisku naturalnym. Typowym przykładem są np. zanieczyszczenia związane z obecnością metali ciężkich, takich jak ołów, kadm czy też izotopy radioaktywne, które mogą pochodzić bądź to ze źródeł naturalnych lub zostać uwolnione w wyniku awarii reaktora jądrowego. Spektroskopia w podczerwieni stanowi cenne narzędzie w badaniach środowiska pozwalając na określenie związków powstających na powierzchni minerałów w wyniku oddziaływania z metalami. Poważnymi ograniczeniami tych badań jest to, że większość minerałów jest nieprzezroczysta w zakresie widzialnym, co powoduje konieczność wykonywania pomiarów w geometrii odbiciowej, o znacznie gorszej relacji sygnał/szum niż pomiary transmisyjne. Po drugie, niebezpieczna koncentracja metali ciężkich lub izotopów radioaktywnych jest niewielka, co w połączeniu z niską czułością metody ogranicza jej stosowanie do badań modelowych. Spektroskopia fototermiczna umożliwia detekcję bardzo małych koncentracji domieszek, na poziomie 10-6 – 10-8. Połączenie metody PTBD z laserem na swobodnych elektronach jako źródłem wzbudzenia stanowi potężne narzędzie badawcze w naukach o środowisku. Szeroki zakres długości fali wzbudzenia i jej impulsowy charakter stanowią optymalną kombinację dla badania absorpcji zanieczyszczeń w środowisku naturalnym.

Mikroskopia i spektroskopia przykrawędziowa

Mikroskopia przykrawędziowa umożliwia charakteryzację struktur z rozdzielczością lepszą niż wynika to z długości fali użytego promieniowania. Technika ta wykorzystuje obecnie lasery podczerwone (np. na CO2). W połączeniu ze strojonym laserem na swobodnych elektronach umożliwi analizę częstotliwości drgań molekularnych w próbkach biologicznych z submikronową rozdzielczością.

Badania biologiczne i środowiskowe - spektroskopia molekuł biologicznych

Promieniowanie wytwarzane przez lasery na swobodnych elektronach może stanowić również potężne narzędzie badawcze dla nauk przyrodniczych. Intensywne, koherentne i strojone w zakresie od podczerwieni do mikrofal o ultrawysokiej częstotliwości (zakres THz) źródło promieniowania pozwoli na badanie i modyfikację molekuł. Możliwe stanie się badanie rezonansowych wzbudzeń molekuł w proteinach, enzymach, jądrach komórkowych i membranach komórkowych.
Spodziewane korzyści wynikające z zastosowania laserów na swobodnych elektronach wynikają z możliwości połączenia pomiarów spektroskopowych dostarczających informację o charakterystycznych częstościach drgań molekuł z możliwością modyfikowania molekuł przy pomocy tego samego promieniowania. Impulsowy charakter promieniowania pozwala na rejestrowanie zmian w układzie molekuł w trakcie ich modyfikacji, co można określić obrazowo jako możliwość nakręcenia „filmów” przedstawiających przebieg procesów biologicznych, takich jak śmierć komórki, wychwyt fotonu przez chlorofil i wiele innych.

Badania atmosfery

Spodziewane jest, że wykorzystanie lasera na swobodnych elektronach do budowy strojonego w szerokim zakresie częstotliwości lidara, umożliwi detekcję i mapowanie w czasie rzeczywistym procesów zachodzących w atmosferze.

Zastosowania w naukach medycznych

Medycyna i badania biomedyczne wydają się być wiodącymi dziedzinami zastosowań laserów na swobodnych elektronach. Po pierwsze, promieniowanie w dalekiej podczerwieni charakteryzuje się niską absorpcją w organizmie człowieka. Pozwala to na obrazowanie narządów wewnętrznych przy bardzo niskim ryzyku napromieniowania. Stosując wyższe częstotliwości w zakresie terahercowym możliwa staje się identyfikacja związków chemicznych i molekuł organicznych, co w połączeniu z wysoką przenikalnością tego promieniowania przez tkankę żywą otwiera niesamowite wprost możliwości diagnostyczne. Pozwala również na stosowanie nowoczesnych metod terapii o minimalnym stopniu inwazyjności jak aktywacja specyficznych związków chemicznych, tzw. nanoplatform, wprowadzonych do określonych tkanek, np. do guzów nowotworowych. Koncepcja ta zakłada, że dedykowane nanoplatformy byłyby wprowadzane do organizmu człowieka a następnie ulegały deponowaniu w określonych, chorych tkankach. Promieniowanie generowane przez laser na swobodnych elektronach dostrajane byłoby do aktywatorów wbudowanych w nanoplatformę (najprawdopodobniej rolę aktywatorów pełniłyby pierwiastki o dużych masach atomowych jak ind, jod, gadolin, złoto czy platyna). Promieniowanie X generowane przez laser wzbudzałoby powłokę K atomów aktywatorów co prowadziłoby do wyzwalania niskoenergetycznych elektronów i wtórnego promieniowania rentgenowskiego niszczącego tkankę nowotworową. Metoda mogłaby również posłużyć do wysokorozdzielczego obrazowania tkanek.
Unikalne własności promieniowania wytwarzanego przez lasery na swobodnych elektronach pozwalają również na całkiem nowe zastosowania w medycynie, możliwe jest np. takie dostrojenie długości fali promieniowania tak, aby uzyskać selektywne, bezpośrednie niszczenie chorych komórek przy minimalnym uszkodzeniu otaczającej, zdrowej tkanki. Prowadzone są np. prace nad zastosowaniem lasera na swobodnych elektronach do chirurgii otolaryngologicznej. Nawet nieznaczne uszkodzenia strun głosowych mogą prowadzić do nieodwracalnej utraty głosu, chirurgia laserowa oparta na FEL minimalizuje to ryzyko a nawet umożliwi usunięcie uszkodzeń (np. blizn) powstałych w wyniku operacji.


Narodowe Centrum Badań Jądrowych (C) 2012