自由電子レーザー

自由電子レーザー：波長の自由自在な高出力レーザー

[自由電子]]レーザー]は、電子ビームと[[電磁場を共鳴させることでコヒーレントな光を発生させる革新的なレーザー技術です。従来のレーザーがレーザー媒質の種類によって発する光の波長が決まるのに対し、FELは電子ビームの制御によって波長を自在に変化させることができます。そのため、軟X線、紫外線、可視光線、遠赤外線など、非常に広い波長範囲の光を生成することが可能です。さらに、メガワット級の高出力も実現可能であり、科学研究から産業利用、そして軍事技術に至るまで、多岐にわたる分野でその応用が期待されています。

自由電子レーザーの原理

FELの発振器は、大きく分けて電子加速器、アンジュレータ、光共振器の3つの主要な構成要素から成ります。まず、電子加速器で電子を相対論的な速度まで加速します。次に、加速された電子は、周期的に磁場が変化するアンジュレータに導入されます。アンジュレータ内の周期的な磁場によって、電子は蛇行しながら進みます。この蛇行運動によってシンクロトロン放射光が発生します。この放射光を光共振器で増幅することで、コヒーレントなレーザー光が生成されます。光の波長は、電子ビームのエネルギーとアンジュレータの磁場強度によって制御されます。

自己増幅自然放射(SASE)

真空紫外線やX線領域では、光共振器を構成するのに必要な高反射率のミラーが存在しません。そのため、自己増幅自然放射(SASE)と呼ばれる方式が用いられることが多くあります。SASEでは、電子ビームの微小な密度ゆらぎから発生する自然放出光が増幅され、高強度のレーザー光が生成されます。この過程では、放射された光が電子ビームと相互作用することにより、電子ビームの密度分布が変化し、特定の光エネルギーのみが増幅されるという現象が起きます。その結果、自然放出光に比べて桁違いに強いレーザー光が得られます。SASEでは、光の発生は確率的な現象であるため、波長スペクトラムや時間構造は複数の鋭いピークを持つ複雑な形となります。アンジュレータの長さを長くするとSASEの強度は増大しますが、ある長さ以上では飽和します。

[X線]]自由電子[[レーザー]

[X線]]領域の波長を持つFELは、X線自由電子レーザー]と呼ばれ、物質科学や生命科学などの分野で強力な研究ツールとして利用されています。XFELは、0.1nm以下の極めて短い波長の[[光を発生させることができ、物質の原子レベルでの構造解析や動的過程の観測を可能にします。2014年時点では、米国(LCLS)、日本(SACLA)でXFEL施設が稼働しており、ヨーロッパなどでも建設が進められていました。

自由電子レーザーの応用

FELは、その高い出力と波長の可変性から、様々な分野での応用が期待されています。具体的には、材料科学、生命科学、医療、環境科学など、幅広い研究分野での利用に加え、産業用途としては、精密加工や医療機器の開発なども考えられます。一方で、その高い出力から兵器としての利用も懸念されており、研究開発には倫理的な配慮も必要となるでしょう。

主要な研究施設

世界各国で自由電子レーザーの研究開発が進められています。代表的な研究施設としては、以下のものがあげられます。

大阪大学自由電子レーザー研究施設
日本大学量子科学研究所
分子科学研究所 極端紫外光研究施設
X線自由電子レーザー計画合同推進本部
Stanford Linear Accelerator Center Linac Coherent Light Source (LCLS)
The European X-ray Laser Project XFEL

これらの施設では、FELの性能向上や新たな応用分野の開拓に向けた研究が精力的に行われています。自由電子レーザーは、今後も科学技術の発展に大きく貢献していくと期待されています。

もう一度検索