自由電子レーザー

自由電子レーザー（FEL ）は、極めて明るく短いパルスの放射線を生成する第4世代の光源です。FELはレーザーとほぼ同じように機能しますが、原子または分子の励起による誘導放出を使用する代わりに、相対論的電子をゲイン媒体として使用します。 ^{[1] [2]} FELでは、一群の電子がアンジュレータまたはウィグラーと呼ばれる磁気構造を通過して放射線を生成します。この磁気構造は電子と再相互作用して電子をコヒーレントに放出し、強度を指数関数的に増加させます。

自由電子レーザーは、電子の運動エネルギーとアンジュレータのパラメータを必要に応じて調整できるため、他のどのタイプのレーザーよりも広い周波数範囲で調整でき、構築できます。 ^[3]現在、波長はマイクロ波からテラヘルツ放射、赤外線、可視スペクトル、紫外線、X線にまで及びます。[ 4 ^]

最初の自由電子レーザーは、1971年にスタンフォード大学のジョン・マディによって開発されました^[5]。ハンス・モッツとその同僚が1953年にスタンフォードでアンジュレーターを構築した技術^{[6] [7]}を使用していました。マディは43MeVの電子ビーム^[8]と5mの長さのウィグラーを使用して信号を増幅しました。

FEL を作成するには、電子銃を使用します。マイクロ波キャビティ内にある光電陰極を照射する短いレーザーパルスによって電子ビームが生成され、フォトインジェクタと呼ばれる装置でほぼ光速まで加速されます。ビームは、粒子加速器(通常は線形粒子加速器)によって設計エネルギーまでさらに加速されます。次に、ビームはビーム経路を横切る交互の極を持つ磁石の周期的配列を通過し、左右の磁場が生成されます。ビームの方向は縦方向と呼ばれ、ビーム経路を横切る方向は横方向と呼ばれます。この磁石の配列は、磁場のローレンツ力によってビーム内の電子が横方向に揺らぎ、アンジュレータの軸の周りの 正弦波経路に沿って移動するため、アンジュレータまたはウィグラーと呼ばれます。

この経路を横切る電子の横方向の加速により、単色だが非干渉性の光子が放出される。これは、ランダムに分布した電子からの電磁波が、時間とともに建設的および破壊的に干渉するためである。結果として生じる放射パワーは、電子の数に比例して増加する。アンジュレータの両端にあるミラーが光キャビティを作り、放射が定在波を形成するようにするか、または代わりに外部励起レーザーが提供される。放射が十分に強くなると、放射ビームの横方向の電界が、正弦波状の小刻みな動きによって生成される横方向の電子電流と相互作用し、ポンデロモーティブ力によって、一部の電子は光の場に対してエネルギーを獲得し、他の電子はエネルギーを失う。

このエネルギー変調は、1 光波長の周期を持つ電子密度 (電流) 変調に発展します。電子はこのようにして縦方向にマイクロバンチに集まり、軸に沿って 1 光波長ずつ分離されます。アンジュレータのみでは電子が独立して (非干渉的に) 放射しますが、束になった電子から放射される放射は同位相であり、フィールドは干渉的に加算されます。

放射強度が増大し、電子のさらなるマイクロバンチングを引き起こし、互いに同位相で放射を続けます。^[9]このプロセスは、電子が完全にマイクロバンチングされ、放射がアンジュレータ放射よりも数桁高い飽和電力に達するまで続きます。

放出される放射線の波長は、電子ビームのエネルギーまたはアンジュレータの磁場の強度を調整することによって容易に調整できます。

FELは相対論的な機械である。放出される放射線の波長は^[10]で与えられる。${\displaystyle \lambda_{r}}$

${\displaystyle \lambda _{r}={\frac {\lambda _{u}}{2\gamma ^{2}}}\left(1+{\frac {K^{2}}{2}}\right)}$

または、以下で説明するウィグラー強度パラメータKが小さい 場合

${\displaystyle \lambda _{r}\propto {\frac {\lambda _{u}}{2\gamma ^{2}}}}$

ここで、はアンジュレータの波長（磁場の空間周期）、は相対論的なローレンツ因子であり、比例定数はアンジュレータの形状に依存し、1 のオーダーです。 ${\displaystyle \lambda_{u}}$${\displaystyle \gamma}$

この式は、2 つの相対論的効果の組み合わせとして理解できます。アンジュレータを通過する電子の上に座っていると想像してください。ローレンツ収縮により、アンジュレータは係数によって短縮され、電子ははるかに短いアンジュレータ波長を経験します。ただし、この波長で放出される放射線は実験室の基準フレームで観測され、相対論的ドップラー効果により、上記の式に2 番目の係数が追加されます。X 線 FEL では、一般的なアンジュレータ波長 1 cm が ≈ 2000 によって 1 nm のオーダーの X 線波長に変換されます。つまり、電子は 0.9999998 cの速度で移動する必要があります。 ${\displaystyle \gamma}$${\displaystyle \lambda _{u}/\gamma }$${\displaystyle \gamma}$${\displaystyle \gamma}$

Kは無次元パラメータであり、ウィグラー強度を周期の長さと曲げ半径の関係として定義します。^{[引用が必要]}

${\displaystyle K={\frac {\gamma \lambda _{u}}{2\pi \rho }}={\frac {eB_{0}\lambda _{u}}{2\pi m_{e} c}}}$

ここで、 は曲げ半径、は印加磁場、は電子の質量、 は素電荷です。 ${\displaystyle \rho}$${\displaystyle B_{0}}$${\displaystyle m_{e}}$${\displaystyle e}$

実用的な単位で表すと、無次元アンジュレータパラメータは です 。 ${\displaystyle K=0.934\cdot B_{0}\,{\text{[T]}}\cdot \lambda _{u}\,{\text{[cm]}}}$

ほとんどの場合、古典電磁気学の理論は自由電子レーザーの挙動を適切に説明します。^[11]十分に短い波長の場合、電子反跳とショットノイズの量子効果を考慮する必要があるかもしれません。^[12]

自由電子レーザーでは、加速された電子が適切に封じ込められていないと放射線の危険があるため、電子加速器とそれに伴う遮蔽物を使用する必要があります。これらの加速器は通常、高電圧電源を必要とするクライストロンによって駆動されます。電子ビームは真空状態に維持する必要があり、ビーム経路に沿って多数の真空ポンプを使用する必要があります。この装置は大きくて高価ですが、自由電子レーザーは非常に高いピーク出力を実現でき、FEL の調整可能性により、化学、生物学における分子の構造決定、医療診断、非破壊検査など、多くの分野で非常に望まれています。

ベルリンのフリッツ・ハーバー研究所は2013年に中赤外線とテラヘルツ自由電子レーザーを完成させた。 ^{[13] [14]}

極端紫外線やX線を反射できるミラー材料が不足しているため、X線自由電子レーザー（XFEL）は共振空洞なしで動作する必要があります。その結果、X線FEL（XFEL）では、アンジュレータを1回通過した放射線によってビームが生成されます。これには、適切なビームを生成するために、1回の通過で十分な増幅が必要です。

そのため、XFEL は数十メートルから数百メートルの長いアンジュレータセクションを使用します。これにより、XFEL は人工の X 線源の中で最も明るい X 線パルスを生成できます。X 線レーザーからの強力なパルスは、自己増幅自然放出(SASE) の原理に基づいており、マイクロバンチングにつながります。最初はすべての電子が均等に分散され、非コヒーレントな自然放出のみを放出します。この放射と電子の振動の相互作用により、電子は 1 つの放射波長に等しい距離で分離されたマイクロバンチに漂います。この相互作用により、すべての電子がコヒーレント放射を放出し始めます。放出された放射は完全に強化され、波の山と谷が互いに最適に重ね合わされます。その結果、放出された放射パワーが指数関数的に増加し、高いビーム強度とレーザーのような特性につながります。^[15]

SASE FEL 原理に基づいて動作する施設の例には、次のようなものがあります。

• ハンブルクの自由電子レーザー（FLASH）
• SLAC国立加速器研究所の線形加速器コヒーレント光源（LCLS）
• ハンブルクの欧州X線自由電子レーザー（EuXFEL）^[16]
• 日本のSPring-8コンパクトSASEソース（SCSS）
• スイスのポール・シェラー研究所のSwissFEL
• 日本の理化学研究所播磨研究所のSACLA
• 韓国のPAL-XFEL（浦項加速器研究所X線自由電子レーザー）

2022年にはスタンフォード大学の線形加速器コヒーレント光源（LCLS-II）のアップグレードが行われ、超伝導ニオブ空洞を使用して、約-271℃の温度で毎秒106パルスの光速に近い電子を生成しました^。 [ ^17]

SASE FEL の問題の 1 つは、起動プロセスがノイズを多く発生させることにより、時間的コヒーレンスが失われることです。これを回避するには、FEL の共鳴に合わせて調整されたレーザーで FEL を「シード」します。このような時間的にコヒーレントなシードは、光レーザー パルスを使用した高調波発生(HHG) などの従来の方法で生成できます。これにより、入力信号のコヒーレント増幅が実現します。つまり、出力レーザーの品質はシードによって決まります。HHG シードは極端紫外線までの波長で使用できますが、従来のX 線レーザーがないため、X 線波長 でのシードは実現できません。

2010年後半、イタリアのトリエステシンクロトロン研究所で、シード型FEL源FERMI@Elettra ^[18]の試運転が開始されました。FERMI@Elettraは、イタリアのトリエステにある第3世代シンクロトロン放射施設ELETTRAの隣にある、100 nm（12 eV）から10 nm（124 eV）の波長範囲をカバーするシングルパスFELユーザー施設です。

2001年、ブルックヘブン国立研究所で、X線波長で機能する「高利得高調波発生」と呼ばれるシーディング技術が開発された。^[19]この技術は、FELで多段階にすることで波長をどんどん短くすることができ、電子バンチに対する放射線の縦方向のシフトを利用して、前の段階によって引き起こされるビーム品質の低下を回避します。このビームに沿った縦方向の段階分けは「フレッシュバンチ」と呼ばれます。^{[20]この技術は}、トリエステシンクロトロン研究所で X線波長で実証されました^{[21] [22]}。

同様の段階的アプローチである「フレッシュスライス」は、ポール・シェラー研究所で、やはりX線波長で実証された。フレッシュスライスでは、第1段階で生成された短いX線パルスが、電子束の横方向の傾斜によって電子束の新鮮な部分に移動される。^[23]

2012年、LCLSに取り組んでいる科学者たちは、ダイヤモンドモノクロメータでフィルタリングした後、レーザー自身のビームを自己シードすることで、X線波長のシード制限に対する代替ソリューションを発見しました。その結果得られたビームの強度と単色性は前例のないものであり、原子の操作や分子の画像化を含む新しい実験を行うことができました。世界中の他の研究室もこの技術を装置に取り入れています。^{[24] [25]}

研究者たちは、タンパク質結晶学や細胞生物学の主力となっているシンクロトロン光源の代替として、X線自由電子レーザーを研究してきた。^[26]

非常に明るく高速なX線は、X線結晶構造解析を用いてタンパク質を画像化することができる。この技術により、従来の技術では画像化できないような方法で積み重ねられないタンパク質（タンパク質総数の25%）を初めて画像化することができる。30フェムト秒のパルス持続時間で0.8 nmの解像度が達成されている。鮮明な画像を得るには、0.1～0.3 nmの解像度が必要である。パルス持続時間が短いため、分子が破壊される前にX線回折パターンの画像を記録することができる。^[27]この明るく高速なX線は、 SLACのLinac Coherent Light Sourceで生成された。2014年現在、LCLSは世界で最も強力なX線FELであった。^[28]

欧州X線FELなどの次世代X線FEL源の繰り返し周波数の増加により、予想される回折パターンの数も大幅に増加すると予想されます。^[29]回折パターンの数の増加は、既存の分析方法に大きな負担をかけます。これに対抗するために、典型的なX線FEL実験で生成される膨大な量のデータを分類するためのいくつかの方法が研究されてきました。^{[30] [31]}さまざまな方法が有効であることが示されていますが、完全な繰り返し周波数での単一粒子X線FELイメージングへの道を開くには、次の解像度革命を達成する前にいくつかの課題を克服する必要があることは明らかです。^{[32] [33]}

代謝性疾患の新しいバイオマーカー: 赤外線イオン分光法と質量分析法を組み合わせることで、選択性と感度を活用でき、科学者は血液や尿などの生体サンプル内の小分子の構造指紋を提供できます。この新しい独自の方法論は、代謝性疾患をより深く理解し、新しい診断および治療戦略を開発するための刺激的な新しい可能性を生み出しています。

1994年にヴァンダービルト大学FELセンターのグレン・エドワーズらが行った研究では、約6.45マイクロメートルの赤外線FEL波長を使用することで、皮膚、角膜、脳組織などの軟部組織を、隣接組織への付随的損傷を最小限に抑えて切断またはアブレーションできることがわかりました。 ^{[34] [35]}これにより、自由電子レーザーを使用した初めての人間への手術が可能になりました。1999年から、コープランドとコンラッドは、髄膜腫の脳腫瘍を切除する手術を3回行いました。^[36] 2000年から、ジョースとモーンは、視神経鞘に窓を切り開く手術を5回行い、視神経鞘窓開の有効性をテストしました。 [ ^{37]これら8回の手術では、}標準治療と一致する結果が得られ、付随的損傷が最小限であるという利点も加わりました。医療用途のFELのレビューは、Tunable Laser Applicationsの第1版に掲載されています。^[38]

軟部組織への付随的損傷を最小限に抑えるパルス構造とエネルギーを備えた、6〜7マイクロメートルの範囲で調整可能ないくつかの小型臨床用レーザーが開発されています。^[要出典]ヴァンダービルトには、アレキサンドライトレーザーで励起されるラマンシフトシステムがあります。^[39]

ロックス・アンダーソンは、皮膚を傷つけずに脂肪を溶かす自由電子レーザーの医療応用を提唱した。^[40]赤外線 波長では、組織内の水がレーザーによって加熱されたが、915、1210、1720 nmに対応する波長では、表面下の脂質が水よりも差別的に強く加熱された。この選択的光熱分解（光を使用して組織を加熱すること）の可能な用途には、ニキビを治療するための皮脂脂質の選択的破壊、セルライトや体脂肪に関連する他の脂質、動脈に形成される脂肪プラークを標的としたアテローム性動脈硬化症や心臓病の治療などがある。^[41]

FEL技術は、対空および対ミサイル指向性エネルギー兵器の候補として米海軍によって評価されている。トーマス・ジェファーソン国立加速器施設のFELは、14kW以上の出力を実証している。^[42]コンパクトな数メガワットクラスのFEL兵器が研究中である。^[43] 2009年6月9日、海軍研究局は、レイセオン社に100kWの実験用FELの開発契約を授与したと発表した。 ^[44] 2010年3月18日、ボーイング指向性エネルギーシステムズは、米海軍での使用に向けた初期設計の完了を発表した。^[45]プロトタイプのFELシステムが実証され、フルパワーのプロトタイプは2018年までに予定されている。 ^[46]

FEL 賞は、自由電子レーザー分野の発展に大きく貢献した人物に贈られます。また、国際 FEL コミュニティに、メンバーの優れた業績を表彰する機会も提供します。受賞者は、現在 2 年ごとに開催されている FEL 会議で発表されます。

• 1988ジョン・マディ
• 1989 ウィリアム・コルソン
• 1990 トッド・スミスとルイス・エリアス
• 1991年フィリップ・スプラングルとニコライ・ヴィノクロフ
• 1992 ロバート・フィリップス
• 1993 ロジャー・ウォーレン
• 1994年 アルベルト・レニエリとジュゼッペ・ダットーリ
• 1995 リチャード・パンテルとジョージ・ベケフィ
• 1996 チャールズ・ブロウ
• 1997 キム・グァンジェ
• 1998 ジョン・ウォルシュ
• 1999クラウディオ・ペレグリーニ
• 2000 スティーブン・V・ベンソン、エイスケ・J・ミネハラ、ジョージ・R・ニール
• 2001 ミシェル・ビヤルドン、マリー＝エマニュエル・クープリ、ジャン＝ミッシェル・オルテガ
• 2002 H. アラン・シュウェットマンとアレクサンダー・F・G・ファン・デル・メール
• 2003 ユ・リーホア
• 2004 ウラジミール・リトビネンコと浜博之
• 2005アヴラハム（アヴィ）ガバー
• 2006 エフゲニ・サルディンとイェルク・ロスバッハ
• 2007イラン・ベン・ツヴィとジェームズ・ローゼンツヴァイク
• 2008 サミュエル・クリンスキー
• 2009 デビッド・ダウェルとポール・エマ
• 2010 スヴェン・ライヒェ
• 2011 新竹積
• 2012 ジョン・ガライダ
• 2013 ルカ・ジャンネッシとヨン・ウク・チョン
• 2014年 黄志龍、ウィリアム・フォーリー
• 2015 ミハイル・ユルコフとエフゲニー・シュナイドミラー
• 2017ブルース・カールステン、ディン・グエン、リチャード・シェフィールド
• 2019 エンリコ・アラリア、ゲンナジー・ストゥパコフ、アレックス・ランプキン
• 2022 ブライアン・マクニールとイン・ウー
• 2024年 原徹、田中仁、田中隆

若手科学者FEL賞（または「若手研究者FEL賞」）は、FEL会議の時点で37歳未満の人物によるFEL科学技術への顕著な貢献を称えることを目的としています。^[47]

• 2008 マイケル・ロース
• 2009 パベル・エフトゥシェンコ
• 2010 ギヨーム・ランベール
• 2011 マリー・ラバト
• 2012 ダニエル・F・ラトナー
• 2013 道翔
• 2014 エリック・ヘムシング
• 2015年 アゴスティーノ・マリネッリとハイシャオ・デン
• 2017 ウジェニオ・フェラーリとエレオノール・ルーセル
• 2019 ジョー・デュリスとチャオ・フェン
• 2022年 Zhen Zhang、Jiawe Yan、Svitozar Serkez
• 2024 フィリップ・ダイクスタル

• 制動放射
• サイクロトロン放射
• 電子の航跡
• 欧州X線自由電子レーザー
• ジャイロトロン
• 国際リニアコライダー
• レーザーの頭字語
• スミス・パーセル効果
• シンクロトロン放射

• Madey, John MJ (1971)。「周期的磁場における制動放射の誘導放出」。応用物理学ジャーナル。42 (5): 1906–1913。Bibcode : 1971JAP ....42.1906M。doi :10.1063/1.1660466。
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• 「ジェファーソン研究所の自由電子レーザープログラム」 ジェファーソン研究所自由電子レーザープログラム
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• Paolo Luchini、Hans Motz、『アンジュレータと自由電子レーザー』、オックスフォード大学出版局、1990年。

• XFELに特化した章。結晶学を学ぶためのウェブページCSICに掲載されています。
• ライトソース
• SLAC国立加速器研究所の世界初の硬X線FELである線形加速器コヒーレント光源LCLS
• トリエステのELETTRAシンクロトロンの新しいFEL、FERMI
• 自由電子レーザーオープンブック（全米アカデミー出版）Wayback Machineで 2008-07-19 にアーカイブ
• ワールドワイドウェブ仮想ライブラリ: 自由電子レーザーの研究と応用
• 欧州XFEL
• PSI スイスフェル
• SPring-8 コンパクトSASEソース
• PAL-XFEL、韓国
• ドレスデンFELの電子ビーム輸送システムと診断
• 赤外線実験用自由電子レーザー FELIX
• WM ケック自由電子レーザーセンター
• ジェファーソン研究所の自由電子レーザープログラム
• 自由電子レーザー：次世代 Davide Castelvecchi 著New Scientist、2006 年 1 月 21 日
• 防衛・安全保障のための航空機搭載メガワット級自由電子レーザー
• FERMI@Elettra 自由電子レーザー プロジェクト
• 自由電子レーザー科学センター (CFEL)
• オランダ、ナイメーヘンの自由電子レーザー研究所、FELIX