เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านอินฟราเรด (Infrared Free Electron Laser: IR-FEL)

5 พฤศจิกายน 2558

 

การพัฒนาเครื่อง IR-FEL:

 


เครื่อง IR-FEL มีส่วนประกอบหลักคือปืนผลิตอิเล็กตรอนแบบอาร์เอฟ (RF-gun) แม่เหล็กอัลฟา(alpha magnet) ที่ภายในมีสลิตเลือกพลังงาน เครื่องเร่งอนุภาคแบบเชิงเส้น (linear accelerator) ระบบแม่เหล็กสองขั้วแบบ acromat เพื่อส่งผ่านลำอิเล็กตรอนไปยังระบบผลิตเลเซอร์ที่ประกอบด้วย แม่เหล็กอันดูเลเตอร์ (undulator) ซึ่งเป็นชุดแม่เหล็กสองขั้วที่วางสลับขั้วกัน และโพรงแสง (optical cavity) ซึ่งประกอบไปด้วยกระจกโค้งสองอันติดตั้ง ณ ทางเข้าและทางออกของแม่เหล็กอันดูเลเตอร์

เมื่ออิเล็กตรอนความเร็วสูงเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กของอันดูเลเตอร์ จะเกิดการเคลื่อนที่แบบส่ายและเกิดการปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาโดยมีโพรงแสงทำหน้าที่สะสมพลังงาน ในลักษณะเช่นเดียวกับ Laser cavity ส่วนหนึ่งของแสงเลเซอร์ที่จะนำไปใช้งานจะถูกส่งผ่านรูตรงกลางของกระจกโค้งตรงปลายของแม่เหล็กอันดูเลเตอร์

ในขั้นแรกศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ได้วางแผนศึกษาการผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระในย่านอินฟราเรดช่วงกลาง (MIR) และย่านอินฟราเรดช่วงไกล (FIR) หรือที่นิยมเรียกว่าย่านเทอราเฮิร์ต (THz) โดยใช้ระบบอันดูเลเตอร์และโพรงแสงสองชุดเพื่อผลิต MIR-FEL และ FIR-FEL (หรือ THz-FEL)

 

ประโยชน์และการประยุกต์:
แสงเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระไม่มีข้อจำกัดด้านพลังงานยึดเหนี่ยวอะตอม จึงสามารถดูดกลืนและปลดปล่อยพลังงานได้ในทุก ๆ ความยาวคลื่น ทำให้สามารถควบคุมและปรับเปลี่ยนความยาวคลื่นของแสงได้ตามต้องการ อีกทั้งยังเป็นแสงอาพันธ์ที่มีความเข้มและความสว่างที่สูงมากกว่าแหล่งกำเนิดแสงชนิดอื่น

รังสี MIR มีความยาวคลื่น 2.5–25µmและมีความถี่ตรงกับความถี่การสั่นของพันธะโควาเลนท์ในโมเลกุลของสารชีวโมเลกุล จึงสามารถนำรังสีMIR-FEL ที่มีความสว่างสูงมากนี้มาใช้กับเทคนิค IR spectroscopy เพื่อตรวจวิเคราะห์และศึกษาองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างที่มีขนาดเล็กมาก ๆ ของสารชีวโมเลกุล เพื่อประโยชน์ในงานวิจัยด้านวิทยาศาสตร์การแพทย์และวิทยาศาสตร์ชีวภาพเช่น การศึกษากลไกการสังเคราะห์ DNA และการวิจัยด้าน Stem cell

รังสีFIR (หรือรังสี THz)ซึ่งมีความยาวคลื่นในช่วง0.03-3 mm สามารถเคลื่อนที่ทะลุผ่านอโลหะ เช่น พลาสติก ผ้า หรือกระดาษ แต่จะสะท้อนกลับเมื่อตกกระทบโลหะและจะถูกดูดซับเมื่อเคลื่อนที่ผ่านน้ำและของเหลว ด้วยคุณสมบัติเฉพาะนี้จึงสามารถนำรังสีชนิดนี้ ไปวิเคราะห์แยกแยะวัตถุที่มีความหนาแน่นต่างกันโดยไม่มีการทำลายสารตัวอย่างโดยใช้เทคนิค THz spectroscopy หรือนำไปใช้ในการตรวจหาอาวุธหรือวัตถุสารระเบิด รวมทั้งการตรวจสอบอุปกรณ์ทางไฟฟ้าหรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ยารักษาโรค หรือผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ภายใต้วัสดุห่อหุ้ม โดยใช้เทคนิค THz imaging อีกทั้งสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการวิเคราะห์วินิจฉัยอาการของโรคทางการแพทย์หรือทันตกรรม เช่น การวิเคราะห์เนื้อเยื่อมะเร็งการตรวจสอบความหนาหรือโพรงของฟัน

ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ได้บรรจุการออกแบบและสร้างเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่ายอินฟราเรดไว้ในแผนพัฒนาเทคโนโลยีอุปกรณ์วิจัยกลางของการดำเนินงานในเฟสที่สอง โดยตั้งคณะทำงานเพื่อทำการศึกษาออกแบบเบื้องต้น (conceptual design study) แล้งจึงทำการออกแบบเชิงวิศวกรรม

โครงการนี้จะเป็นการร่วมมือทางวิชาการระหว่างศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์กับ DESY และ Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) แห่งสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมนี