Láser de electrones libres (FEL): qué es y cómo funciona

Láser de electrones libres (FEL): qué es y cómo funciona — descubre su principio, potencia y aplicaciones, desde infrarrojo hasta rayos X, y por qué es tan sintonizable.

Un láser de electrones libres, o FEL, es un láser que produce un haz de luz muy brillante. Es básicamente una super linterna. Comparte las mismas propiedades ópticas que los láseres convencionales, como la emisión de un haz formado por radiación electromagnética coherente que puede alcanzar una gran potencia. El FEL utiliza principios de funcionamiento para formar el haz que son muy diferentes a los de un láser convencional. A diferencia de los láseres de gas, líquido o estado sólido, como los láseres de diodo, en los que los electrones se excitan mientras están ligados a los átomos, los FEL utilizan un haz de electrones relativistas como medio emisor de láser que se mueve libremente a través de una estructura magnética, de ahí el término de electrón libre. El láser de electrones libres tiene la gama de frecuencias más amplia de todos los tipos de láser, y puede ser ampliamente sintonizable, abarcando actualmente la longitud de onda de las microondas, pasando por la radiación de terahercios y los infrarrojos, hasta el espectro visible, el ultravioleta y los rayos X.

Los láseres de electrones libres fueron inventados por John Madey en 1976 en la Universidad de Stanford. El trabajo se basa en la investigación realizada por Hans Motz y sus colaboradores, que fabricaron el primer ondulador en Stanford en 1953 utilizando la configuración magnética del wiggler, que es el núcleo de un láser de electrones libres. Madey utilizó un haz de electrones de 24 MeV y un wiggler de 5 m de longitud para amplificar una señal. Poco después, otros laboratorios con aceleradores comenzaron a desarrollar este tipo de láseres.

Los láseres de electrones libres consumen mucha electricidad cuando funcionan. Para reducir la energía necesaria para mantenerlos en funcionamiento, los científicos utilizan un acelerador lineal de recuperación de energía para reciclar el haz de electrones de alta energía que activa el láser.

Principio de funcionamiento

El elemento central de un FEL es el ondulador (o wiggler): una sucesión de imanes con polaridad alterna que obliga al haz de electrones a describir pequeñas oscilaciones transversales. Al desplazarse por el ondulador, las partículas relativistas emiten radiación. La interacción entre esa radiación y el propio haz de electrones produce un proceso colectivo llamado microbunching, en el que los electrones se agrupan en cúmulos separados aproximadamente por la longitud de onda de la radiación emitida. Cuando la microestructura del haz se establece, la emisión se hace coherente y se amplifica rápidamente por procesos de emisión estimulada, generando un haz láser muy brillante.

La longitud de onda λ de la radiación emitida se aproxima por la condición de resonancia del ondulador: λ ≈ λ_u / (2 γ^2) · (1 + K^2 / 2), donde λ_u es el periodo del ondulador, γ es el factor relativista de Lorentz del electrón y K (parámetro de undulador) mide la amplitud de la oscilación impuesta por los imanes. Ajustando la energía de los electrones (γ) y las características del ondulador se puede sintonizar la longitud de onda en un amplio rango.

Modos de operación: SASE y láseres sembrados

Los FEL pueden operar en modo SASE (Self-Amplified Spontaneous Emission), en el que la amplificación parte del ruido espontáneo del haz de electrones. SASE produce haces con muy alta brillo espacial y cierta coherencia espacial, pero la coherencia temporal puede ser limitada. Para mejorar la coherencia temporal y la estabilidad espectral se utilizan esquemas sembrados (seeded), donde una señal externa coherente inicia la amplificación, o configuraciones híbridas que combinan métodos de siembra y manipulación del feixe electrónico.

Componentes principales

• Fuente de electrones: un cañón de electrones o fotocátodo que genera pulsos de electrones de alta calidad.
• Acelerador lineal (linac): acelera los electrones hasta energías relativistas requeridas para la longitud de onda deseada.
• Compresores de paquete: dispositivos que reducen la duración temporal del paquete de electrones y aumentan la corriente pico, favoreciendo la microestructura.
• Ondulador/ Wiggler: donde ocurre la interacción radiación–electrones y se produce la amplificación láser.
• Sistemas de control de haz y diagnóstico: para medir energía, emittance, longitud de paquete y la calidad del haz irradiado.
• Recuperación de energía / depósito de haz: en instalaciones con energy recovery linac (ERL) se recupera parte de la energía de los electrones; en otros casos se dispone de un «beam dump» que absorbe el haz.

Propiedades del pulso

Los FEL producen pulsos extremadamente cortos (típicamente en la escala de femtosegundos, y con técnicas avanzadas se alcanzan subfemtosegundos o escalas cercanas a attosegundos), con picos de potencia muy altos y un brillo espectral que supera por órdenes de magnitud a las fuentes láser convencionales en el rango de rayos X. Esto permite experimentos de pump–probe que observan procesos ultrarrápidos en materia.

Aplicaciones

• Difracción y cristalografía con rayos X: determinación de estructuras de proteínas y materiales a escala atómica, incluso de macromoléculas que no forman cristales grandes.
• Imagenología y holografía ultrarrápida: imágenes en tiempo real de dinámicas químicas y físicas.
• Espectroscopía time-resolved: seguimiento de reacciones químicas, transferencia de carga y dinámicas electrónicas.
• Investigación en física de la materia condensada: estudios de magnetismo, superconductividad y fenómenos no lineales a energías y escalas de tiempo inaccesibles con otras fuentes.
• Nanotecnología y litografía: procesos de fabricación y testeo con radiación de alta resolución.
• Desarrollo de óptica y ciencia básica: exploración de nuevas interacciones luz–materia en el régimen de altas intensidades y energías de fotones.

Instalaciones y desarrollo

Existen varias instalaciones de referencia en el mundo que operan FELs de rayos X y de otras bandas: por ejemplo LCLS en SLAC (EE. UU.), European XFEL en Alemania, SACLA en Japón y FERMI en Italia (este último es un ejemplo de FEL semillado en el rango del ultravioleta extremo). Estas instalaciones sirven tanto a la investigación fundamental como a aplicaciones en química, biología, farmacología y ciencia de materiales.

Ventajas y limitaciones

Ventajas: gran brillo y poder de resolución espacial y temporal, amplia sintonización de longitud de onda, capacidad para generar pulsos ultracortos y altos picos de potencia.

Limitaciones: son instalaciones grandes y costosas, requieren aceleradores y equipos de protección radiológica, demandan electrones de muy alta calidad (bajo emittance) y, si no se usan esquemas de recuperación de energía, consumen mucha electricidad.

Recuperación de energía y sostenibilidad

Como se menciona arriba, para disminuir el consumo energético y los costos operativos se investigan y construyen aceleradores lineales de recuperación de energía (ERL). En un ERL, tras haber producido la radiación útil los electrones se desaceleran en el propio linac de forma controlada, devolviendo su energía al sistema y reduciendo la electricidad neta necesaria. Esto es clave para hacer los FEL más sostenibles y económicamente viables a largo plazo.

Resumen

Un láser de electrones libres es una fuente de radiación coherente extremadamente versátil y potente que ha abierto nuevas posibilidades experimentales en múltiples disciplinas científicas. Su principio se basa en la interacción de un haz de electrones relativistas con un ondulador magnético que provoca microbunching y emisión coherente; sus principales desafíos son el tamaño, la complejidad y el consumo energético, frente a beneficios decisivos en brillo, sintonización y resolución temporal.

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué es un láser de electrones libres?

P: ¿Qué gama de frecuencias cubre el láser de electrones libres?

P: ¿Quién inventó el láser de electrones libres?

P: ¿Qué se utilizó para amplificar las señales en los primeros experimentos con FEL?

P: ¿Quién desarrolló una versión anterior de lo que se convertiría en un FEL?

P: ¿Cuánta electricidad utilizan los FEL cuando funcionan?

P: ¿Cómo pueden los científicos reducir la energía necesaria para su funcionamiento?

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