vrijeelektronlasers

Vrijeelektronlasers zijn bronnen van coherente straling met hoge helderheid die worden geproduceerd door een bundel relativistische elektronen door een periodieke magnetische structuur, de undulator, te loodsen. In het undulator emitteren de elektronen straling en door de onderlinge interactie tussen de straling en het elektronenbunch wordt de straling in fase gebracht en sterk versterkt. Dit kan gebeuren via self-amplified spontaneous emission (SASE) of via externe seeding. Het resultaat is een uiterst fel, kortdurend en breedte-erkenbaar lichtspectrum, van infrarood tot mogelijk hard X-ray.

Kenmerken van vrijeelektronlasers zijn onder meer hun grote tunabiliteit (golflengte kan worden aangepast door de electronenenergie of de undulatorparameters te wijzigen), zeer hoge piekvermogen en ultrakorte pulsen. De stralingskwaliteit en impulsduur hangen sterk af van de precisie van de elektronenbron, de beamkwaliteit en de stabiliteit van de acceleratorinfrastructuur. FELs kunnen continu of pulserend werken, afhankelijk van de opzet van de linac en de opslagringen.

Technisch gezien vereisen FELs geavanceerde lineaire versnellers, hoog-waardige elektronenbronnen en precisie-undulators, naast geavanceerde besturing en synchronisatie. Ze worden toegepast in de fundamentele en toegepaste wetenschappen, met name voor structuurbepaling van moleculen en materialen, time-resolved studies van chemische reacties, high-resolution imaging en onderzoek naar ultrakorte, intense straling.

Historisch gezien is het concept ontwikkeld in de jaren zeventig, met vroege experimenten in de jaren tachtig en negentig. Moderne grote faciliteiten omvatten onder meer LCLS in de Verenigde Staten, European XFEL in Duitsland, FLASH bij DESY, FERMI in Italië en SwissFEL in Zwitserland, die respectievelijk verschillende delen van het elektromagnetische spectrum bestrijken en uiteenlopende seeding- en lasertechnieken gebruiken.