20. Lasery na volných elektronech
Laser zná dnes snad každý. Od konstrukce prvního laseru v roce 1960 uplynulo přes půl století. Dnes si lasery pro nejrůznější účely můžete zakoupit v každé tržnici. Jeden druh laseru tam ale nekoupíte. Je to laser na volných elektronech, který je leckdy laditelný v širokém pásu frekvencí elektromagnetického spektra. A těmto zvláštním laserům se dnes budeme věnovat.
Laser na volných elektronech se skládá ze dvou stupňů: prvním stupněm je
obyčejný lineární urychlovač elektronů. Urychlené elektrony potom putují do
druhého stupně − undulátoru. To je ale podivné slovo, že? Undulátor. Jde o
strukturu periodicky se střídajících magnetů, takže elektrony letí nejprve
kolem severního pólu, pak kolem jižního pólu a zase severního a tak dále.
Magnety undulátoru vychylují svazek elektronů tu na jednu a tu na druhou
stranu. Elektrony se proto pohybují po vlnkovaté dráze. Undulátor je
nejdůležitější součástkou tohoto zvláštního laseru. Elektrony pohybující se
po zakřivené dráze totiž vyzařují elektromagnetické vlny a ty tvoří laserový
signál.
Každý laser na volných elektronech může sloužit jako urychlovač
nebo jako laditelný laser s proměnnou frekvencí vysílaného
elektromagnetického záření. Frekvenci můžeme ladit buď změnou rychlostí
elektronů na výstupu urychlovače, nebo změnou intenzity magnetického pole v
undulátoru. Laditelné lasery jsou vynikajícím pomocníkem v základním
výzkumu. Využívají se všude tam, kde potřebujeme k testování nějakého jevu
různé frekvence elektromagnetického spektra.
Relativně blízko k České republice je vybudován laser FLASH. Nachází se v německém středisku jaderného výzkumu DESY v blízkosti Hamburgu. Název FLASH je zkratkou z anglického Free electron LASer in Hamburg. Kromě zkratky znamená slovo flash také záblesk. Laser FLASH je dlouhý přibližně 260 metrů a urychlené elektrony generují v undulátoru laserový paprsek laditelný od ultrafialového záření až po měkké rentgenové spektrum. Nejmenší dosažitelná vlnová délka je pouhých 6 nanometrů.
Zařízení se využívá například k hledání částic temné hmoty. Podle jedné hypotézy by se laserový paprsek na pomezí ultrafialového a rentgenového spektra mohl v silném magnetickém poli přeměnit na jeden zvláštní druh částic temné hmoty, tzv. axiony. Jiným využitím je příprava extrémních stavů hmoty. Pokud laserový pulz dopadne na malý terčík, stlačí látku v něm na extrémní tlak odpovídající například tlaku v nitru planety Jupiter nebo dokonce v nitru některých hvězd. Lasery na volných elektronech umožňují tyto extrémní stavy hmoty zkoumat přímo v pozemských laboratořích. Za pomoci rentgenových laserů je také možné zobrazovat malé předměty, například viry. Rentgenové záření má velmi krátkou vlnovou délku, a proto je rozlišení výrazně lepší než u jiných druhů mikroskopů. Takové experimenty se konaly například na japonském laseru postaveném u urychlovače SPring 8.
Vidíme, že použití laserů na volných elektronech je skutečně pestré. V současnosti se v blízkosti Hamburgu staví největší laser na volných elektronech na světě. Jeho délka bude 3 400 metrů, tedy o něco více než tři kilometry. Tento laser bude pracovat v rentgenovém oboru, zdrojem záření budou elektrony urychlené na energii 10 až 20 GeV. Laser by měl být zprovozněn v roce 2013 nebo 2014. Na stavbě se podílí 12 evropských zemí včetně Slovenska. Evropská věda se má na co těšit. V Evropě už funguje největší urychlovač světa LHC a během několika let přibude i gigantický laser na volných elektronech XFEL.