Ла́зер на свобо́дных электро́нах (англ. Free Electron Laser, FEL) — вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе — периодической системе отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Электроны, совершая периодические колебания, излучают фотоны, энергия которых зависит от энергии электронов и параметров ондулятора.
В отличие от газовых, жидкостных или твердотельных лазеров, где электроны возбуждаются в связанных атомных или молекулярных состояниях — у FEL источником излучения является пучок электронов в вакууме, проходящий сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов — ондулятор (вигглер), электроны пучка движутся по траектории близкой к синусоиде, теряя энергию преобразующуюся в поток фотонов, при этом возникает рентгеновское излучение, применяемое, например, для исследования расположения атомов в кристаллах и изучения других наноструктур.
Меняя энергию электронного пучка, а также напряжённость магнитного поля и расстояние между магнитами ондулятора можно в широких пределах менять частоту лазерного излучения, от FEL, что является главным отличием FEL от лазеров других подобных систем. Излучение, получаемое с помощью FEL, применяется для изучения нанометровых структур — получены изображения частиц размером всего 100 нанометров с помощью рентгеновской микроскопии с разрешением около 5 нм[1].
Проект первого лазера на свободных электронах был опубликован в 1971 году Джоном Мэйди в рамках своего PhD-проекта в Стэнфордском университете. В 1976 году Мэйди и его коллеги продемонстрировали первые опыты с FEL, используя электроны с энергией 24 МэВ и 5-метровый вигглер для усиления излучения[2]. Мощность лазера составляла 300 мВт, а эффективность преобразования энергии пучка электронов в излучение всего 0,01 %, но была показана работоспособность таких устройств, что привело к повышению интереса и увеличению количества исследований в области FEL.
,Для создания лазерного рентгеновского излучения необходим пучок электронов, разогнанный в ускорителе до скорости близкой к скорости света. Полученный пучок направляется в вигглер.
Вигглер представляет собой магнит, создающий сильное поперечное (как правило, вертикальное) знакопеременное в пространстве магнитное поле. Его можно представить себе как последовательность коротких дипольных магнитов, ориентация полюсов у соседних противоположна.