XFEL

La classe di laser nota come XFEL (sigla dall'inglese X rays-Free Electron Laser) è un tipo di laser a elettroni liberi dove il fascio di elettroni che produce l'emissione di radiazione ha energie tali che l'emissione avviene nella zona spettrale dei raggi X. Dato che la frequenza di emissione è proporzionale al quadrato dell'energia degli elettroni, le energie necessarie per arrivare nella regione spettrale dei raggi X sono molto elevate, dell'ordine del GeV. Macchine acceleratrici di elettroni di questa energia sono estremamente grandi, complesse e costose, così come le caratteristiche del fascio di elettroni e dei dispositivi di generazione di radiazione (ondulatori) sono ai limiti della tecnologia. Tali difficoltà tuttavia sono controbilanciate dai potenziali vantaggi associati ad una sorgente coerente di questo tipo, con elevatissima brillanza (ordini di grandezza al di sopra di quella delle comuni sorgenti di luce di sincrotrone) e alle sue possibili applicazioni in molteplici campi della scienza e della tecnologia.

Molto spesso, per migliorare la coerenza del X-ray FEL, viene utilizzato un fascio laser, che si sintonizza alle frequenze super-armoniche dei raggi X-molli, in questo modo si ottiene un aumento della coerenza e dunque della potenza del fascio X-laser^[1].

Attualmente non è stato costruito né pubblicato un progetto di esperimento per costruire un laser a raggi-X duri (Lambda inferiore a 0,1 nanometri pari ad 1 Ångström)

FEL a raggi-X

La mancanza di qualsiasi dispositivo di riflessione (specchio) alle lunghezze d'onda dell'estremo ultravioletto e dei raggi-X rende impossibile il funzionamento di un oscillatore FEL; conseguentemente, deve esistere una appropriata amplificazione su di un singolo passaggio del fascio di elettroni attraverso l'ondulatore per rendere davvero utile il FEL. I laser a raggi-X generati dai laser a elettroni liberi utilizzano lunghi ondulatori. Il principio sottostante degli intensi impulsi dal laser a raggi-X si basa sul principio della Self-Amplified Spontaneous Emission (SASE), che porta al "microbunching" degli elettroni. Inizialmente, tutti gli elettroni sono distribuiti in modo regolare e possono soltanto emettere radiazione spontanea incoerente. Grazie all'interazione di questa radiazione e all'oscillazione degli elettroni, questi tendono a convergere in "microbunches" separati da una distanza eguale ad una lunghezza d'onda della radiazione. Attraverso questa interazione, tutti gli elettroni cominciano ad emettere radiazione coerente in fase. In altre parole, tutta la radiazione emessa può rinforzarsi da sé perfettamente, laddove le creste e i declivi dell'onda sono sempre sovrapposti uno sull'altra nel migliore modo possibile. Questo dà luogo ad un aumento esponenziale della potenza della radiazione emessa, portando ad alte intensità del fascio di raggi-X e alla proprietà di possedere un ristretto numero di frequenze (o praticamente una sola frequenza nei laser monocromatici), in modo simile a quello di un laser.^[2]

Un approccio meno "brutale" al problema permette di liberarsi dalla associazione diretta "frequenza proporzionale al quadrato dell'energia del fascio di elettroni", che comporta la costruzioni di enormi e costosissime macchine. È infatti ipotizzabile una soluzione ibrida, oscillatore-amplificatore. La sezione oscillatore FEL opera a lunghezze d'onda nell'UV, dove sono disponibili specchi con buona riflettività. Nella sezione amplificatore, una catena di amplificazione FEL, con ondulatori opportunamente accordati sulle armoniche della frequenza di oscillazione, permette di ottenere l'emissione nella regione dei raggi X.^[3]

Laboratori che sperimentano con i SASE-FEL

Alcuni esempi di centri dove si studiano ed sperimentano i principi dei SASE FEL, includono i seguenti:

"Free electron LASer Hamburg" di Amburgo, in Germania (FLASH)^[4]
Linac Coherent Light Source (LCLS) dello SLAC National Accelerator Laboratory^[5]
European x-ray free electron laser^[6]^[7]
SPring-8 Compact SASE Source (SCSS) in Giappone^[8]
PSI SwissFEL in Svizzera^[9].

Utilizzo delle super-armoniche dei raggi laser ottici

Un problema con i FEL SASE è la mancanza di coerenza temporale dovuta ad un processo di avviamento "rumoroso" (rumore shot). Per evitare questo, si può "seminare" un FEL con un laser convenzionale sintonizzato alle armoniche superiori di risonanza d'onda del FEL. Questo "seed" temporalmente coerente può essere prodotto con dispositivi più convenzionali come i high-harmonic generation (HHG) usando l'impulso di un laser ottico. Questo dà come risultato un'amplificazione coerente del segnale in entrata; in effetto, la qualità del laser in uscita è caratterizzata dalle caratteristiche del "seed". Mentre i seeds HHG sono disponibili alle basse lunghezze d'onda dell'ultravioletto estremo, la procedura di seeding non è possibile alle lunghezze d'onda dei raggi x a causa della mancanza di laser convenzionali a raggi X.

Sorgente miniaturizzata di raggi X-laser

Il 27 settembre del 2009, ricercatori del Max Planck Institute per l'Ottica quantistica (dipartimento dell'Università di Monaco di Baviera), hanno pubblicato un articolo annunciando di essere riusciti a produrre raggi X-laser in un dispositivo relativamente piccolo, capace di stare su di un tavolo da pranzo^[10]^[11] ^[12]^[13].

Note

^ CNR,_Istituto di Fisica Atomica e Molecolare Archiviato il 1º dicembre 2009 in Internet Archive.: Alla scoperta di nuove sorgenti di raggi X Archiviato il 6 agosto 2007 in Internet Archive., di Leonida A. Gizzi
^ XFEL information webpages, su xfelinfo.desy.de. URL consultato il 21 dicembre 2007.
^ A FEL Oscillator at SPARC-X (PDF), su frascati.enea.it. URL consultato il 4 settembre 2009 (archiviato dall'url originale il 5 marzo 2016).
^ FLASH: Free electron LASer in Hamburg
^ (EN) SLAC (National Accelerator Laboratory): Linac Coherent Light Source
^ Website dell'European XFEL
^ (EN) The European X-Ray Laser Project XFEL
^ (EN) SPring-8 Compact SASE Source (SCSS) Archiviato il 12 marzo 2010 in Internet Archive.
^ (EN) Paul Scherrer Institute Archiviato il 14 agosto 2006 in Internet Archive.: Swiss FEL
^ Miniature X-ray source using wiggling electrons Archiviato l'11 gennaio 2012 in Internet Archive.
^ (EN) NATURE PHYSICS: Laser-driven soft-X-ray undulator source ; Nature Physics 5, 826 - 829 (2009)
^ (EN) Max-Planck_Institute fur Quanten Optik: Miniature X-ray source using wiggling electrons Archiviato il 6 dicembre 2009 in Internet Archive.
^ (EN) Ludwig Maximilian University Munchen: Miniature X-ray source with undulating electrons Archiviato il 2 ottobre 2009 in Internet Archive.

Voci correlate

Collegamenti esterni

CNR,_Istituto di Fisica Atomica e Molecolare: Alla scoperta di nuove sorgenti di raggi X, di Leonida A. Gizzi
Il laser a raggi X^{[collegamento interrotto]} - Seminario di ottica quantistica eseguito da Paola Squillacioti
XFEL-Europa

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Portale Fisica

Portale Ingegneria

Portale Medicina

[1] CNR,_Istituto di Fisica Atomica e Molecolare Archiviato il 1º dicembre 2009 in Internet Archive.: Alla scoperta di nuove sorgenti di raggi X Archiviato il 6 agosto 2007 in Internet Archive., di Leonida A. Gizzi

[XFEL-2] XFEL information webpages, su xfelinfo.desy.de. URL consultato il 21 dicembre 2007.

[XFELOSCILLATOR-3] A FEL Oscillator at SPARC-X (PDF), su frascati.enea.it. URL consultato il 4 settembre 2009 (archiviato dall'url originale il 5 marzo 2016).

[4] FLASH: Free electron LASer in Hamburg

[5] (EN) SLAC (National Accelerator Laboratory): Linac Coherent Light Source

[6] Website dell'European XFEL

[7] (EN) The European X-Ray Laser Project XFEL

[8] (EN) SPring-8 Compact SASE Source (SCSS) Archiviato il 12 marzo 2010 in Internet Archive.

[9] (EN) Paul Scherrer Institute Archiviato il 14 agosto 2006 in Internet Archive.: Swiss FEL

[10] Miniature X-ray source using wiggling electrons Archiviato l'11 gennaio 2012 in Internet Archive.

[11] (EN) NATURE PHYSICS: Laser-driven soft-X-ray undulator source ; Nature Physics 5, 826 - 829 (2009)

[12] (EN) Max-Planck_Institute fur Quanten Optik: Miniature X-ray source using wiggling electrons Archiviato il 6 dicembre 2009 in Internet Archive.

[13] (EN) Ludwig Maximilian University Munchen: Miniature X-ray source with undulating electrons Archiviato il 2 ottobre 2009 in Internet Archive.

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