Láser de electrones libres para niños
El láser de electrones libres o FEL (por sus siglas en inglés, free-electron laser) es un tipo especial de láser. Comparte algunas características con los láseres comunes, como producir un rayo de radiación electromagnética muy potente y enfocado. Sin embargo, su forma de crear este rayo es completamente diferente.
En lugar de usar electrones que están unidos a átomos, el FEL utiliza un haz de electrones que se mueven muy rápido, casi a la velocidad de la luz. Estos electrones no están pegados a ningún átomo, sino que se mueven "libremente" en un campo magnético. Por eso se les llama "electrones libres".
El primer láser de electrones libres fue construido en 1976 por John Madey. Hoy en día, hay muchos de estos láseres funcionando o en construcción en todo el mundo. Los FEL son muy versátiles porque pueden producir luz en una gama muy amplia del espectro electromagnético, desde microondas hasta rayos X. Esto los hace muy útiles para la investigación en física, química, biología, y para desarrollar nuevos materiales. También tienen aplicaciones prácticas en medicina y en otras áreas.
Contenido
Historia del Láser de Electrones Libres
El láser de electrones libres fue una invención de John Madey. El primer modelo se construyó en la Universidad de Stanford en 1976. La idea de Madey se inspiró en el trabajo de Hans Motz, quien investigó unos campos magnéticos especiales llamados wigglers u onduladores. Estos onduladores son muy importantes para que el láser de electrones funcione.
Madey usó un haz de electrones con una energía de 24 MeV y un ondulador de 5 metros de largo para hacer que la radiación se hiciera más fuerte. Poco después, otros laboratorios comenzaron a construir sus propios láseres de este tipo.
En 1992, se empezó a pensar en la posibilidad de crear un FEL que produjera rayos X. El primero de estos, llamado LCLS (LINAC Coherent Light Source), comenzó a funcionar en 2009 en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en California. En 2011, se puso en marcha SACLA en Japón, y el XFEL Europeo se construyó en Alemania.
¿Cómo funciona un FEL?
Para crear la luz láser, primero se acelera un haz de electrones hasta que viajan a una velocidad muy cercana a la de la luz. Luego, estos electrones pasan a través de un campo magnético especial. Este campo es creado por dos filas de imanes que tienen sus polos orientados de forma alternada.
Esta configuración de imanes se llama ondulador. Cuando los electrones lo atraviesan, no van en línea recta, sino que se mueven en una trayectoria ondulada, como una onda. Al moverse así, los electrones emiten luz o radiación sincrotrón.
Esta luz que emiten los electrones interactúa con el propio haz de electrones. Esto hace que los electrones se agrupen en pequeños "paquetes" muy concentrados, separados por la longitud de onda de la luz. Cuando los electrones están agrupados de esta manera, emiten luz al mismo tiempo y en la misma "fase". Esto significa que las ondas de luz de cada electrón se suman, haciendo que la intensidad total de la luz sea mucho mayor. Además, la intensidad de la luz se amplifica rápidamente a lo largo del ondulador.
El proceso en el que el campo electromagnético que agrupa los electrones es causado por la propia oscilación de los electrones se llama SASE (Self Amplified Spontaneous Emission), que significa emisión espontánea auto-amplificada. También se puede ayudar a agrupar los electrones inyectando un rayo de luz coherente junto con ellos. Esto se conoce como "sembrado" (seeding).
Componentes clave: Aceleradores
Un láser de electrones libres necesita un acelerador de electrones muy potente. Este acelerador debe estar protegido con un escudo especial, porque los electrones acelerados y la radiación que emiten pueden ser peligrosos. Los aceleradores funcionan con un dispositivo llamado klistrón, que necesita un voltaje muy alto.
El haz de electrones debe viajar en un vacío casi perfecto. Esto es para evitar que los electrones choquen con cualquier partícula de aire o materia y se dispersen. El vacío se mantiene con muchas bombas a lo largo del recorrido del haz. Para que los electrones no se dispersen y mantengan su forma y tamaño, se usan lentes electromagnéticas, como los cuadrupolos y sextupolos.
Características de la luz láser
Una de las propiedades más útiles de los FEL es que la longitud de onda de la luz que emiten se puede cambiar fácilmente. Esto se logra ajustando la energía del haz de electrones o modificando el campo magnético del ondulador (por ejemplo, cambiando la distancia entre los imanes).
La luz producida por el proceso SASE es coherente en el espacio (es decir, el rayo es muy recto y enfocado), pero no siempre en el tiempo (las ondas no están perfectamente sincronizadas). Para lograr una coherencia temporal perfecta, se puede usar el método de "sembrado" del haz de electrones.
Otra característica interesante es que la radiación no es continua, sino que se emite en pulsos muy cortos, que duran desde nanosegundos hasta femtosegundos. Esto es ideal para estudiar procesos físicos o químicos que ocurren en escalas de tiempo extremadamente rápidas.
Láseres de Rayos X
Construir un FEL que produzca rayos X es especialmente difícil. El haz de electrones debe ser muy preciso y concentrado para que los electrones se agrupen correctamente. En la práctica, para obtener longitudes de onda tan cortas como un ángstrom, se necesitan aceleradores lineales de muy alta energía, como los que se usan en SLAC (California) o DESY (Hamburgo).
En Japón, el FEL SACLA utiliza un acelerador lineal avanzado junto con onduladores de período corto. Los FEL de rayos X que funcionan actualmente se basan en la emisión espontánea auto-amplificada (SASE). En 2012, se demostró que se podía usar la propia luz del FEL para iniciar el proceso de agrupación de electrones, lo que permite generar luz de rayos X completamente coherente y de longitud de onda muy corta.
Usos y Aplicaciones de los FEL
Medicina
En 1994, el doctor Glenn Edwards y su equipo en la Universidad de Vanderbilt descubrieron que los tejidos blandos del cuerpo, como la piel, la córnea o el tejido cerebral, podían ser cortados con un FEL que emitía luz infrarroja a una longitud de onda específica (unos 6,45 micrómetros). Lo sorprendente es que esto se podía hacer casi sin dañar el tejido que estaba alrededor.
En 1999, un equipo médico de Vanderbilt realizó la primera operación en un ser humano para extirpar un tumor cerebral usando un láser de electrones libres. Desde entonces, se han desarrollado proyectos para construir láseres pulsados más pequeños que puedan ajustarse a estas longitudes de onda para operar en tejidos blandos sin causar daño a las áreas cercanas.
En 2006, el doctor Rox Anderson, de la Escuela Médica de Harvard, presentó resultados sobre el uso del FEL para tratar el tejido graso debajo de la piel sin dañarla. Mientras que la luz infrarroja suele calentar el agua, ciertas longitudes de onda (915, 1210 y 1720 nanómetros) calientan más los lípidos (grasas) que el agua. Esta capacidad de calentar selectivamente el tejido graso se puede usar para tratar el acné, reducir la celulitis y el exceso de grasa corporal, y también para tratar las placas en las arterias que causan problemas del corazón.
Ciencia de Materiales y Biología
Los láseres de electrones libres que producen longitudes de onda largas se usan para estudiar cómo se comportan los materiales cuando están lejos de su estado normal. Se han logrado avances importantes en el estudio de cómo las propiedades ópticas de los materiales cambian con un campo eléctrico intenso, en el control de estados cuánticos de electrones (importante para la computación cuántica) y en la física de materiales.
En el rango de la luz ultravioleta, los FEL son útiles en la microscopía electrónica de emisión. Aquí, el rayo láser se usa para liberar electrones de la superficie de los materiales. Analizar estos electrones da información valiosa sobre las propiedades de la superficie, lo cual es importante para aplicaciones en nanotecnología.
Los haces de luz ultravioleta y de rayos X que duran femtosegundos y picosegundos se usan para investigar en detalle reacciones químicas y cambios entre estados atómicos y moleculares que ocurren en tiempos muy cortos, similares a la duración del pulso del láser.
En 2011, se lograron las primeras imágenes de la estructura tridimensional de macromoléculas biológicas. Esto se hizo a partir de los patrones de difracción de partículas víricas y nanocristales de proteínas usando el FEL de rayos X de Stanford. Estos experimentos son muy difíciles o imposibles de hacer con otras fuentes de rayos X, como los sincrotrones, que no son lo suficientemente potentes para obtener difracción de muestras tan pequeñas.
Láseres de Rayos X Atómicos
Los láseres de electrones de rayos X permiten obtener luz láser de alta energía. Esto se logra ionizando los electrones de los orbitales atómicos de mayor energía. Este proceso, que se describió por primera vez en 1967, se demostró disparando un haz de rayos X del LCLS a una cápsula de neón. El resultado es un haz de luz muy pura, con una longitud de onda de 1,46 nm, y con coherencia espacial y temporal. Estos láseres atómicos pueden ser muy útiles para experimentos de alta precisión y para estudiar efectos ópticos no lineales.
Galería de imágenes
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Ondulador de FELIX
Véase también
En inglés: Free-electron laser Facts for Kids
- Anexo:Láseres de electrones libres
- Ondulador
- Radiación sincrotrón
