کاربردهای عملی دیگر  

در اواخر دهه 80 میلادی ، ارتش آمریکا به مطالعه لیزرهای پوتوتیپ میان انرژی و کم انرژی پرداخت. این لیزرها برای نابود ساختن سیستم اپتیکی تانکهای دشمن و خیره کردن چشمان خلبانان و تک تیراندازانی که با استفاده از دوربین سلاحهای خود در حال هدف گیری هستند بکار می‌رود. ارتش آمریکا حتی در زمان جنگ خلیج فارس یک لیزر میان انرژی به نام استینج ری را بر خودروی پیاده نظام برادلی سوار کرده بود. این سلاح عدسی سیستمهای اپتیکی تانکها و خودروهای دشمن را با ایجاد شکافی هرمی نابود می‌ساخت. البته این سلاح هرگز مورد استفاده قرار نگرفت. به عقیده جان الکساندر ، پژوهشگر سابق آزمایشگاه ملی لس آلاموس "پنتاگون چون نگران عکس العمل منفی مردم بود از استینج ری استفاده نکرد." علت چیست؟ شاید اینکه استینج ری نه تنها لنز پریسکوپها را نابود می‌کند بلکه موجب کور شدن فردی که از آن پریسکوپ استفاده می‌کند نیز می‌شود.

  چشم انداز بحث  

هم اکنون اخلاق ، در برابر لیزرهای میدان نبرد ، به عنوان یک مبارز طلبی فنی سد بزرگی را بوجود آورده است. در اکتبر سال 1995، چهارمین پروتکل به کنواسیون ژنو الحاق گردید و به موجب آن بکار گیری لیزرهای کور کننده در جنگ ممنوع اعلام شد. چند هفته قبل از آن ، پنتاگون سفارشی را که برای ساخت نوعی لیزر کور کننده به نام دیزر داده بود پس گرفت. این سلاح (سیستم اقدامات مقابله ای لیزری) بر روی لوله تفنگ ام 16 نصب می شد و به پیاده نظام این امکان را می داد که سیستم های کنترل آتش دشمن را از فاصله بیش از 2 کیلومتری نابود کرده ، سربازان دشمن را کور کنند.

بسیاری از کشورها ، پروتکل مزبور را محترم شمردند. چینیها آشکارا از بکار گیری سیستمی مشابه خودداری کردند. به گفته الکساندر "در هنگام جنگ ، شما می‌توانید دشمن را با استفاده از گلوله و یا انفجار بکشید و نیز می‌توانید قانون وی را با استفاده از لیزر خاکستر کنید، اما حق کور کردنش را ندارید، چشم موضوعی احساسی است." بجز مسائل اخلاقی ، ارتش در عملی بودن استفاده نظامی از لیزر دچار تردید است. طول تفنگهای لیزری قابل حمل در حال حاضر زیاد است وحتی اگر مخازن شیمیایی و باتریهای مربوطه جمع و جور ساخته شوند، نیروی موجود فقط کفاف تعداد محدودی شلیک را می‌دهد. الکساندر اضافه می‌کند "هیچ نیازی به این قبیل سلاحها وجود ندارد. ارتش ایالات متحده نمی‌خواهد به جای سلاحی قابل اطمینان ، از سیستمی سری و با منفعت محدود استفاده نماید. شما نمی‌توانید هم لیزر را حمل کنید و هم یک سلاح متعارف را."

آیا مهندسان می‌توانند مشکلات مربوط به نیروی مورد نیاز لیزرها را حل کنند و به این هدف نظامی دست یابند که سلاحی قابل حمل و با مهمات نامحدود بسازند. هولومن می‌گوید: "من جدا تردید دارم که بتوانیم سیستمی قابل حمل توسط انسان بسازیم."

   مقدمه   
 

 
در لیزرهای رزینه‌ای الکترونها مقید به یک اتم و یا یک مولکول هستند و یا در طول زنجیره‌ای از اتمها که مولکول دو قطبی را تشکیل می‌دهند، آزادی حرکت دارند. نیز در لیزرهای نیم رسانا الکترونها می‌تواند که در تمام حجم بلور حرکت کنند. ولی در لیزر الکترون آزاد ، که یکی از جدیدترین و جالبترین انواع لیزرهاست، الکترونها بیشتر از موارد فوق الذکر آزادی حرکت دارند.

در لیزر الکترون آزاد الکترونها آزادانه در یک میدان مغناطیسی متناوب حرکت می‌کنند و در اثر برهمکنش میدان الکترومغناطیسی با الکترونهایی که در این ساختار تناوبی در حرکتند، فرآیند گسیل القایی رخ می‌دهد. از نظر تاریخی ، لیزر الکترون آزاد اولین بار در سال 1951 بوسیله Mets پیشنهاد شد. این لیزر قادر به کار در ناحیه طیفی مرئی و ماوراء بنفش هستند، ولی تا کنون این لیزرها تنها در طول موج λ = 3/4µm عمل کرده است.

   سینماتیک اندرکنش الکترون آزاد- فوتون  

لیزرهای الکترون آزاد ، علت تشعشع انرژی الکترومغناطیسی ، شتاب الکترونها در میدان متناوب است. نمونه مشابه برای چنین تشعشعی ، تشعشع سینکروترون الکترونهایی است که در یک میدان مغناطیسی حرکت دایره‌ای انجام می‌دهند ولی این تشعشع طیف وسیعی را می‌پوشاند، لذا برای نوسان لیزری مناسب نیست. در لیزر الکترون آزاد ، الکترونها مجبورند در جهت عرضی (x یا y) حرکت موجی انجام دهند، در حالیکه با سرعتهای نسبیتی در جهت محور اصلی (z) حرکت می‌کنند.

مقدار بیشتری از انرژی میدان تشعشعی حاصله ، بر خلاف تشعشع سینکروترون دارای باند باریکه‌ای از فرکانس است و این برای نوسان لیزری مناسب است. این فرکانسها در واقع فرکانسهایی هستند که الکترونها با یک طول موج اپتیکی ، عقب نشینی می‌کند. تشعشع منتشره در هر نقطه در طول مسیر با تشعشع منتشره در زمانهای قبلی در یک ردیف قرار گرفته و بدین ترتیب یک جمع شوندگی میدان ایجاد می‌شود (چنین سرعت الکترون نسبیتی است). یک نقطه نظر دیگر ، مبادله توان ( Ex(r,t)Vx(r,t بین الکترون متحرک و موج الکترومغناطیسی متحرک با یک میدان (E(r,t می‌باشد. شرط همزمانی استنتاج شده در بالا ، تضمین می‌کند که علامت ExVx نباید تغییر کند، چون هر تغییر علامتی در Vx اتفاق بیفتد، در همان زمان Ex تغییر علامت می‌دید.

توان ExVx که از باریکه الکترون به موج الکترومغناطیسی جاری می‌شود، پیوسته است (این توان حادی شده ممکن است منفی باشد). فرکانسهای گذار فرکانسهایی هستند که طی آن سرعت الکترون تغییر جهت می‌دهد. الکترون آزاد ، انرژی E1 از میدان الکتریکی یک فوتون با انرژی Eph جذب کرده و یا به آن یک فوتون می‌دهد و با انرژی E2 خاتمه می‌یابد.

چون الکترونها حرکت نسبیتی دارند لذا انرژی آنها نیز باید از روابط نسبیتی محاسبه شود. اما مشاهده می‌کنیم که تغییر در انرژی Ee∆ یک الکترون ، ایجاد یک گذار از مختوم P1 به P2 می‌کند که کوچکتر از انرژی (P1 - P2) فوتون با مختوم (P1 - P2) می‌باشد. این نتیجه در سه بعد نیز صادق است. یکی از راه حلهای این مسئله میانجیگری در اندرکنش بین الکترون و باریکه نور (فوتونها) بوسیله انتقال پریودیک فضایی است که با مضاربی از 2π/L جذب می‌کند (L پریود است)، اختلال می‌‌تواند بر فوتون ، الکترون و یا هر دو اثر کند.

برای مشاهده نحوه عمل ، فرض می‌کنیم در تیوبهای موج رونده میکروویو ، جائیکه میدان الکترومغناطیسی در یک ساختار پریودیک منتشر می‌شود، به میدان یک حرکت پریودیک اضافی وارد می‌شود. در مورد یک لیزر الکترون آزاد ، این حرکت الکترون است که بطور پریودیکی با بکار بردن یک میدان مغناطیسی بطور فضایی پریودیکی مدوله می‌شود. البته می‌توان میدان الکترومغناطیسی را بطور فضایی مدوله کرد، این کار با بکار بردن یک موجی که بطور فضایی پریودیکی است، عملی می‌باشد.

هرگاه در تیوبهای موج رونده و شتاب دهنده‌های خطی ذرات باردار ، به نقطه نظر کلاسیکی برگردیم: یک الکترون را در نظر می‌گیریم که با سرعت V در حرکت است و با یک میدان الکترومغناطیسی رونده که میدانهای مغناطیسی و الکتریکی آن به ترتیب بصورت (E(r,t)B(r,t است، اندرکنش می‌کند

   شرط همزمانی (The synchrcnism crndition)   

برای اینکه یک تبادل انرژی بین الکترون (با انرژی γmc2) و یک میدان E صورت می‌گیرد، لازم است که سرعت الکترون (v) در امتداد E ، مؤلفه غیر صفر داشته باشد. (γ ضریب تبدیل جرم نسبیتی است) در مورد موج الکترومغناطیسی تخت که در جهت z منتشر می‌شود Ez = 0 بوده و Ex ≠ 0 است. برای اینکه بایستی بررسی الکترون یک مؤلفه عرضی Vx داشته باشیم، چون Vz < c است، الکترون نسبت به موج عقب می‌افتد و بایستی تغییر علامت دهد (جهت سرعت تغییر می‌کند)، لذا تبادل خالص انرژی بین الکترون و باریکه متوسط گیری می‌شود.

یک راه حل آشکار این مسئله ودار کردن الکترون به تغییر سرعتش می‌باشد. بطوری که در یک جهت با میدان عرضی حرکت می‌کند. این کار با بکار بردن یک میدان مغناطیسی عرضی پریودیکی فضایی (با پریود 0λ) در حضور یک موج الکترومغناطیسی تخت با طول موج λ بیان می‌شود. بردار سرعت الکترون در z = 0 با میدان روبرو شده و دارای یک سرعت عرضی موازی جهت میدان (Vx||Ex) می‌باشد. بطوری که VxEx>0 است. یک الکترون مشابه در دو نقطه اضافی دیگر نشان داده شده‌اند. بخشی از یک میدان الکتریکی که در ابتدا در نقطه z = 0 با الکترون روبرو شده ، در نقطه Vx 0 است، ولی میدان الکترومغناطیسی سریعتر و جلوتر از الکترون حرکت می‌کند بطوری که Ex < 0 و ExVx > 0 است.

در نقطه z = λ0 ، Vx > 0 است و Ex > 0 است لذا ExVx>0 می‌باشد. بنابراین در هر نقطه ExVx> 0 است و الکترون بطور پیوسته قرمز شده و به میدان اپتیکی انرژی می‌دهد. شرط تشدید P1 - P2 = ±t.k می‌باشد.

   نشر خود به خودی و بهره در FEL  

وقتی که الکترون در میدان مغناطیسی wigglel حرکت شتابدار انجام می‌دهد (و این شتاب پریودیک و عرضی می‌باشد) و از آن یک تشعشع خودبخودی بوجود می‌آید، بطوری که طیف حاصل از این تشعشع از روابط مشابه توری پیروی می‌کند. (پریودهای میدان مغناطیسی برای الکترون به مثابه توری می‌باشد). الکترون شتابدار موج الکترومغناطیسی تشعشع می‌کند و این تشعشع در یک ساختار پریودیک صورت می‌گیرد. بهره به عنوان اختلاف بین آهنگ نشر و جذب تحریکی بوسیله الکترونهای تشعشعی می‌باشد.