เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ ( FEL ) เป็นแหล่งกำเนิดแสงรุ่นที่สี่ที่สร้างพัลส์รังสีที่สว่างมากและสั้นมาก FEL ทำงานคล้ายกับเลเซอร์แต่ใช้อิเล็กตรอนที่มีความเร็วสัมพัทธ์เป็นตัวกลางขยายแทนที่จะใช้การปล่อยแบบกระตุ้นจากการกระตุ้นของอะตอมหรือโมเลกุล^{[ 1 ] [ 2 ]}ใน FEL กลุ่มอิเล็กตรอนจะผ่านโครงสร้างแม่เหล็กที่เรียกว่าอันดูเลเตอร์หรือวิกเกลอร์เพื่อสร้างรังสี ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนอีกครั้งทำให้พวกมันปล่อยรังสีออกมาอย่างสอดคล้องกัน เพิ่มความเข้มขึ้นแบบทวีคูณ

เนื่องจากพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนและพารามิเตอร์ของอันดูเลเตอร์สามารถปรับได้ตามต้องการ เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระจึงสามารถปรับความถี่ได้และสามารถสร้างได้ใน ช่วง ความถี่ ที่กว้าง กว่าเลเซอร์ประเภทอื่น^{[ 3 ]}ปัจจุบันมีความยาวคลื่นตั้งแต่ไมโครเวฟผ่านรังสีเทราเฮิร์ตซ์และอินฟราเรดไปจนถึงสเปกตรัมที่มองเห็นได้รังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีเอ็กซ์^{[ 4 ]}

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระตัวแรกได้รับการพัฒนาโดยJohn Madeyในปี 1971 ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด^{[ 5 ]}โดยใช้เทคโนโลยีที่พัฒนาโดยHans Motzและเพื่อนร่วมงานของเขา ซึ่งสร้างอันดูเลเตอร์ที่สแตนฟอร์ดในปี 1953 ^{[ 6 ] [ 7 ]}โดยใช้ การกำหนดค่าแม่เหล็กแบบ วิกเกลอร์ Madey ใช้ลำแสงอิเล็กตรอน 43 MeV ^{[ 8 ]}และวิกเกลอร์ยาว 5 เมตรเพื่อขยายสัญญาณ

ในการสร้าง FEL นั้นจะใช้ปืนอิเล็กตรอน โดยสร้าง ลำแสงอิเล็กตรอนด้วยพัลส์เลเซอร์สั้นๆ ส่อง ไปยัง โฟโตแคโทดที่อยู่ภายในโพรงไมโครเวฟและเร่งความเร็วให้เกือบเท่าความเร็วแสงในอุปกรณ์ที่เรียกว่าโฟโตอินเจคเตอร์จากนั้นลำแสงจะถูกเร่งความเร็วต่อไปจนถึงพลังงานที่ออกแบบไว้โดยเครื่องเร่งอนุภาคซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นหลังจากนั้นลำแสงจะผ่านชุดแม่เหล็กที่เรียงตัวเป็นระยะๆ โดยมีขั้วสลับ กันขวางเส้นทางของลำแสง ซึ่งจะสร้าง สนามแม่เหล็กในแนวราบทิศทางของลำแสงเรียกว่าทิศทางตามยาว ในขณะที่ทิศทางขวางเส้นทางของลำแสงเรียกว่าทิศทางตามขวาง ชุดแม่เหล็กนี้เรียกว่าอันดูเลเตอร์หรือวิกเกลอร์เนื่องจากแรงลอเรนซ์ของสนามบังคับให้อิเล็กตรอนในลำแสงสั่นไหวในแนวขวาง เคลื่อนที่ไปตาม เส้นทาง ไซน์รอบแกนของอันดูเลเตอร์

การเร่งความเร็วตามแนวขวางของอิเล็กตรอนตามเส้นทางนี้ส่งผลให้เกิดการปล่อยโฟตอนซึ่งเป็นโฟตอนที่มีสีเดียวแต่ยังคงไม่สอดคล้องกัน เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากอิเล็กตรอนที่กระจายตัวแบบสุ่มจะแทรกสอดกันทั้งแบบเสริมและแบบหักล้างตามเวลา พลังงานการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นจะแปรผันตรงกับจำนวนอิเล็กตรอน กระจกที่ปลายแต่ละด้านของเครื่องกำเนิดรังสีสร้างโพรงแสงทำให้รังสีเกิดเป็นคลื่นนิ่งหรืออาจใช้เลเซอร์กระตุ้นจากภายนอกก็ได้ รังสีจะมีความแรงมากพอที่สนามไฟฟ้า ตามแนวขวาง ของลำแสงรังสีจะทำปฏิกิริยากับกระแสอิเล็กตรอนตามแนวขวางที่เกิดจากการเคลื่อนที่แบบสั่นไหวเป็นรูปคลื่นไซน์ ทำให้บางอิเล็กตรอนได้รับพลังงานและบางอิเล็กตรอนสูญเสียพลังงานไปยังสนามแสงผ่านแรงโพนเดอโมทีฟ

การปรับเปลี่ยนพลังงานนี้จะพัฒนาไปสู่การปรับเปลี่ยนความหนาแน่นของอิเล็กตรอน (กระแส) โดยมีคาบเท่ากับหนึ่งความยาวคลื่นแสง อิเล็กตรอนจึงรวมกลุ่มกันตามแนวยาวเป็นกลุ่มเล็กๆโดยมีระยะห่างกันหนึ่งความยาวคลื่นแสงตามแนวแกน ในขณะที่เครื่องกำเนิดคลื่นแบบอันดูเลเตอร์เพียงอย่างเดียวจะทำให้อิเล็กตรอนแผ่รังสีออกมาอย่างอิสระ (ไม่สอดคล้องกัน) แต่รังสีที่ปล่อยออกมาจากกลุ่มอิเล็กตรอนนั้นอยู่ในเฟสเดียวกัน และสนามต่างๆ จะรวมกันอย่างสอดคล้องกัน

ความเข้มของการแผ่รังสีเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดการรวมกลุ่มย่อยของอิเล็กตรอนเพิ่มเติม ซึ่งยังคงแผ่รังสีในเฟสเดียวกัน^{[ 9 ]}กระบวนการนี้ดำเนินต่อไปจนกระทั่งอิเล็กตรอนรวมกลุ่มย่อยอย่างสมบูรณ์ และการแผ่รังสีถึงระดับพลังงานอิ่มตัวที่สูงกว่าการแผ่รังสีของอันดูเลเตอร์หลายอันดับ

สามารถปรับความยาวคลื่นของรังสีที่ปล่อยออกมาได้อย่างง่ายดายโดยการปรับพลังงานของลำอิเล็กตรอนหรือความแรงของสนามแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดรังสีแบบอันดูเลเตอร์

FELs เป็นเครื่องจักรเชิงสัมพัทธภาพ เนื่องจากอิเล็กตรอนที่ขับเคลื่อนเลเซอร์เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเชิงสัมพัทธภาพ นั่นคือ ด้วยความเร็วที่ใกล้เคียงกับความเร็วแสง มาก ความยาวคลื่นของรังสีที่ปล่อยออกมาจะได้รับจาก^{[ 10 ]}${\displaystyle \lambda _{r}}$

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

หรือเมื่อค่าพารามิเตอร์ความแรงของตัวสั่นKที่กล่าวถึงด้านล่าง มีค่าเล็กน้อย

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

โดยที่คือความยาวคลื่นของอันดูเลเตอร์ (คาบเชิงพื้นที่ของสนามแม่เหล็ก) คือปัจจัยลอเรนซ์เชิงสัม พัทธภาพ และค่าคงที่สัดส่วนขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของอันดูเลเตอร์และมีค่าประมาณ 1 ${\displaystyle \lambda _{u}}$${\displaystyle \gamma }$

สูตรนี้สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นผลรวมของปรากฏการณ์สัมพัทธภาพสองอย่าง ลองนึกภาพว่าคุณกำลังนั่งอยู่บนอิเล็กตรอนที่กำลังเคลื่อนที่ผ่านอันดูเลเตอร์ เนื่องจากการหดตัวของลอเรนซ์อันดูเลเตอร์จะสั้นลงด้วยปัจจัยหนึ่ง และอิเล็กตรอนจะสัมผัสกับความยาวคลื่นของอันดูเลเตอร์ที่สั้นลงมากอย่างไรก็ตาม รังสีที่ปล่อยออกมาที่ความยาวคลื่นนี้จะถูกสังเกตในกรอบอ้างอิงของห้องปฏิบัติการ และปรากฏการณ์ดอปเปลอร์เชิงสัมพัทธ ภาพ จะนำปัจจัยที่สองมาสู่สูตรข้างต้น ในเครื่องเอกซ์เรย์ FEL ความยาวคลื่นของอันดูเลเตอร์ทั่วไปที่ 1 ซม. จะถูกแปลงเป็นความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ที่มีขนาดประมาณ 1 นาโนเมตรด้วยปัจจัยประมาณ 2000 นั่น คือ อิเล็กตรอนต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 0.9999998 c${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle \lambda _{u}/\gamma }$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle \gamma }$

Kซึ่งเป็น พารามิเตอร์ ไร้หน่วยกำหนดความแข็งแรงของการสั่นไหวโดยพิจารณาจากความสัมพันธ์ระหว่างความยาวของคาบและรัศมีของการโค้งงอ

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

โดยที่คือรัศมีของการโค้งงอคือสนามแม่เหล็กที่ใช้คือมวลของอิเล็กตรอน และคือประจุ พื้นฐาน${\displaystyle \rho }$${\displaystyle B_{0}}$${\displaystyle m_{e}}$${\displaystyle e}$

เมื่อแสดงในหน่วยเชิงปฏิบัติ พารามิเตอร์อันดูเลเตอร์แบบไร้มิติคือ . ${\displaystyle K=0.934\cdot B_{0}\,{\text{[T]}}\cdot \lambda _{u}\,{\text{[cm]}}}$

ในกรณีส่วนใหญ่ ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าแบบคลาสสิกสามารถอธิบายพฤติกรรมของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระได้อย่างเพียงพอ^{[ 11 ]}สำหรับความยาวคลื่นที่สั้นเพียงพออาจต้องพิจารณา ผลกระทบควอนตัมของการกระดอนของอิเล็กตรอนและ สัญญาณรบกวนช็อต^{[ 12 ]}

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระจำเป็นต้องใช้เครื่องเร่ง อิเล็กตรอน พร้อมเกราะป้องกัน เนื่องจากอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งความเร็วอาจก่อให้เกิดอันตรายจากรังสีได้หากไม่ได้รับการควบคุมอย่างเหมาะสม เครื่องเร่งอิเล็กตรอนเหล่านี้มักใช้พลังงานจากไคลสตรอนซึ่งต้องการแหล่งจ่ายไฟแรงดันสูง ลำแสงอิเล็กตรอนต้องอยู่ในสภาวะสุญญากาศซึ่งต้องใช้ปั๊มสุญญากาศ จำนวนมาก ตลอดเส้นทางของลำแสง แม้ว่าอุปกรณ์เหล่านี้จะมีขนาดใหญ่และมีราคาแพง แต่เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระสามารถให้กำลังสูงสุดที่สูงมาก และความสามารถในการปรับแต่งของ FEL ทำให้เป็นที่ต้องการอย่างมากในหลายสาขา รวมถึงเคมี การหาโครงสร้างโมเลกุลในชีววิทยาการวินิจฉัยทางการแพทย์และการ ทดสอบแบบไม่ทำลาย

สถาบันFritz Haberในเบอร์ลินได้สร้าง FEL ช่วงอินฟราเรดกลางและเทราเฮิร์ตซ์ เสร็จสมบูรณ์ ในปี 2013 ^{[ 13 ] [ 14 ]}

ที่Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorfมีแหล่งกำเนิดเทราเฮิร์ตซ์และอินฟราเรดช่วงกลางแบบ FEL สองแหล่งที่ใช้งานอยู่ FELBE เป็น FEL ที่ติดตั้งโพรงที่มีการพัลส์อย่างต่อเนื่องด้วยอัตราการทำซ้ำ 13 MHz การพัลส์ด้วยความถี่ 1 kHz โดยใช้ตัวเลือกพัลส์ และการทำงานแบบมาโครบันช์ที่มีความยาวบันช์ > 100 μs และอัตราการทำซ้ำของมาโครบันช์ ≤ 25 Hz ระยะเวลาพัลส์และพลังงานพัลส์จะแปรผันตามความยาวคลื่นและอยู่ในช่วง 1 - 25 ps และ 100 nJ - ไม่กี่ μJ ตามลำดับ^{[ 15 ]}สิ่งอำนวยความสะดวก TELBE ใช้พื้นฐานจาก อันดูเลเตอร์ แบบซูเปอร์เรเดียนต์ที่ให้พัลส์ THz ตั้งแต่ 0.1 THz ถึง 2.5 THz ที่อัตราการทำซ้ำสูงถึง 500 kHz ^{[ 16 ]}

เนื่องจากขาด วัสดุ สะท้อนแสงที่สามารถสะท้อนรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีเอ็กซ์ ได้ ทำให้เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระรังสีเอ็กซ์ (XFEL) จำเป็นต้องทำงานโดยปราศจากโพรงเรโซแนนซ์ดังนั้น ในเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระรังสีเอ็กซ์ (XFEL) ลำแสงจึงถูกสร้างขึ้นโดยการผ่านของรังสีเพียงครั้งเดียวผ่านตัวสร้างรังสีซึ่งจำเป็นต้องมีการขยายสัญญาณให้เพียงพอในการผ่านเพียงครั้งเดียวเพื่อสร้างลำแสงที่เหมาะสม

ดังนั้น XFEL จึงใช้ส่วนอันดูเลเตอร์ที่ยาวหลายสิบหรือหลายร้อยเมตร ซึ่งทำให้ XFEL สามารถสร้างพัลส์รังสีเอกซ์ที่สว่างที่สุดในบรรดาแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่มนุษย์สร้างขึ้น พัลส์ที่เข้มข้นจากเลเซอร์รังสีเอกซ์นั้นเกิดจากหลักการของการปล่อยรังสีแบบสปอนเทเนียสที่ขยายตัวเอง (SASE) ซึ่งนำไปสู่การรวมกลุ่มขนาดเล็ก ในตอนแรกอิเล็กตรอนทั้งหมดจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและปล่อยรังสีแบบสปอนเทเนียสที่ไม่สอดคล้องกันเท่านั้น ผ่านปฏิสัมพันธ์ของรังสีนี้และการสั่น ของอิเล็กตรอน พวกมันจะเคลื่อนที่ไปยังกลุ่มขนาดเล็กที่แยกจากกันด้วยระยะทางเท่ากับความยาวคลื่นของรังสีหนึ่งคลื่น ปฏิสัมพันธ์นี้ผลักดันให้อิเล็กตรอนทั้งหมดเริ่มปล่อยรังสีที่สอดคล้องกัน รังสีที่ปล่อยออกมาสามารถเสริมแรงกันได้อย่างสมบูรณ์แบบ โดยที่ยอดคลื่นและท้องคลื่นจะซ้อนทับกันอย่างเหมาะสม ส่งผลให้กำลังของรังสีที่ปล่อยออกมาเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ นำไปสู่ความเข้มของลำแสงสูงและคุณสมบัติคล้ายเลเซอร์^{[ 17 ]}

ตัวอย่างของสถานประกอบการที่ดำเนินการตามหลักการ SASE FEL ได้แก่:

• เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระในฮัมบูร์ก ( FLASH )
• แหล่งกำเนิดแสงโคherent เชิงเส้น (LCLS) ที่ห้องปฏิบัติการเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC
• เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอ็กซ์เรย์ยุโรป (EuXFEL) ในฮัมบูร์ก^{[ 18 ]}
• SPring-8 Compact SASE Source (SCSS) ในญี่ปุ่น
• SwissFELที่สถาบัน Paul Scherrerในประเทศสวิตเซอร์แลนด์
• SACLA ที่ สถาบัน RIKEN Harima ในประเทศญี่ปุ่น
• PAL-XFEL (Pohang Accelerator Laboratory X-ray Free-Electron Laser) ในเกาหลี

ในปี 2022 การอัปเกรดLinac Coherent Light Source (LCLS-II) ของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดใช้อุณหภูมิประมาณ −271 °C เพื่อผลิตอิเล็กตรอนความเร็วใกล้แสง 10 ^{6 พัลส์/วินาที โดยใช้โพรงไนโอเบียมตัวนำยิ่งยวด [ 19 ]}

ปัญหาหนึ่งของ SASE FEL คือการขาดความสอดคล้องทางเวลาเนื่องจาก กระบวนการเริ่มต้น ที่มีสัญญาณรบกวนเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ เราสามารถ "ป้อนสัญญาณ" ให้กับ FEL ด้วยเลเซอร์ที่ปรับความถี่ให้ตรงกับความถี่เรโซแนนซ์ของ FEL สัญญาณป้อนที่มีความสอดคล้องทางเวลาดังกล่าวสามารถผลิตได้ด้วยวิธีการทั่วไป เช่นการสร้างฮาร์มอนิกสูง (HHG) โดยใช้พัลส์เลเซอร์แบบออปติคอล ซึ่งส่งผลให้เกิดการขยายสัญญาณอินพุตอย่างสอดคล้อง กล่าวคือ คุณภาพของเลเซอร์เอาต์พุตจะถูกกำหนดโดยสัญญาณป้อน แม้ว่าสัญญาณป้อน HHG จะมีให้ใช้ที่ความยาวคลื่นต่ำลงไปถึงอัลตราไวโอเลตสุดขั้ว แต่การป้อนสัญญาณนั้นไม่สามารถทำได้ที่ ความยาวคลื่น เอ็กซ์เรย์เนื่องจากขาดเลเซอร์เอ็กซ์เรย์แบบดั้งเดิม

ในช่วงปลายปี 2010 ในประเทศอิตาลี แหล่งกำเนิด FEL ที่มีเมล็ดพันธุ์ FERMI@Elettra ^{[ 20 ]}เริ่มดำเนินการที่ห้องปฏิบัติการซินโครตรอน Trieste FERMI@Elettra เป็นสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้ FEL แบบผ่านครั้งเดียว ครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ 100 นาโนเมตร (12 eV) ถึง 10 นาโนเมตร (124 eV) ตั้งอยู่ติดกับสิ่งอำนวยความสะดวกด้านรังสีซินโครตรอนรุ่นที่สาม ELETTRA ในเมือง Trieste ประเทศอิตาลี

ในปี พ.ศ. 2544 ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคเฮเวนได้มีการพัฒนาเทคนิคการสร้างเมล็ดพันธุ์ที่เรียกว่า "การสร้างฮาร์มอนิกส์แบบเกนสูง" ซึ่งทำงานที่ความยาวคลื่นรังสีเอ็กซ์^{[ 21 ]}เทคนิคนี้ซึ่งสามารถดำเนินการได้หลายขั้นตอนใน FEL เพื่อให้ได้ความยาวคลื่นที่สั้นลงเรื่อยๆ โดยใช้การเลื่อนตามแนวยาวของรังสีเมื่อเทียบกับกลุ่มอิเล็กตรอนเพื่อหลีกเลี่ยงคุณภาพลำแสงที่ลดลงซึ่งเกิดจากขั้นตอนก่อนหน้า การจัดลำดับตามแนวยาวตามลำแสงนี้เรียกว่า "กลุ่มสดใหม่" ^{[ 22 ]} เทคนิคนี้ได้รับการสาธิตที่ความยาวคลื่นรังสีเอ็กซ์^{[ 23 ] [ 24 ]}ที่ห้องปฏิบัติการซินโครตรอนตรีเอสเต

วิธีการจัดลำดับขั้นตอนที่คล้ายกัน ซึ่งเรียกว่า "Fresh-Slice" ได้รับการสาธิตที่สถาบัน Paul Scherrer Institutที่ความยาวคลื่นรังสีเอกซ์เช่นกัน ใน Fresh Slice พัลส์รังสีเอกซ์สั้นที่ผลิตในขั้นตอนแรกจะถูกย้ายไปยังส่วนใหม่ของกลุ่มอิเล็กตรอนโดยการเอียงตามขวางของกลุ่ม^{[ 25 ]}

ในปี 2555 นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานใน LCLS ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหาทางเลือกสำหรับข้อจำกัดของการสร้างเมล็ดพันธุ์สำหรับความยาวคลื่นรังสีเอกซ์โดยการสร้างเมล็ดพันธุ์เลเซอร์ด้วยลำแสงของตัวเองหลังจากกรองผ่านโมโนโครมาเตอร์ เพชร ความเข้มและความเป็นโมโนโครมาติกของลำแสงที่ได้นั้นไม่เคยมีมาก่อนและอนุญาตให้ทำการทดลองใหม่ ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการจัดการอะตอมและการสร้างภาพโมเลกุล ห้องปฏิบัติการอื่น ๆ ทั่วโลกกำลังนำเทคนิคนี้ไปใช้ในอุปกรณ์ของตน^{[ 26 ] [ 27 ]}

นักวิจัยได้สำรวจเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอ็กซ์เรย์เป็นทางเลือกแทน แหล่งกำเนิดแสง ซินโครตรอนซึ่งเป็นเครื่องมือหลักในการศึกษาผลึกโปรตีนและชีววิทยาของเซลล์^{[ 28 ]}

รังสีเอกซ์ที่สว่างและเร็วเป็นพิเศษสามารถสร้างภาพโปรตีนโดยใช้การตกผลึกด้วยรังสีเอกซ์เทคนิคนี้ทำให้สามารถสร้างภาพโปรตีนที่ไม่เรียงตัวกันในลักษณะที่ทำให้สามารถสร้างภาพได้ด้วยเทคนิคแบบดั้งเดิมเป็นครั้งแรก ซึ่งคิดเป็น 25% ของจำนวนโปรตีนทั้งหมด ความละเอียด 0.8 นาโนเมตรทำได้ด้วยระยะเวลาพัลส์ 30 เฟมโตวินาทีเพื่อให้ได้ภาพที่ชัดเจน จำเป็นต้องมีความละเอียด 0.1–0.3 นาโนเมตร ระยะเวลาพัลส์ที่สั้นช่วยให้สามารถบันทึกภาพรูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ได้ก่อนที่โมเลกุลจะถูกทำลาย^{[ 29 ]}รังสีเอกซ์ที่สว่างและเร็วถูกผลิตขึ้นที่Linac Coherent Light Sourceที่ SLAC ณ ปี 2014 LCLS เป็น X-ray FEL ที่ทรงพลังที่สุดในโลก^{[ 30 ]}

เนื่องจากอัตราการทำซ้ำที่เพิ่มขึ้นของแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ FEL รุ่นต่อไป เช่นEuropean XFELจำนวนรูปแบบการเลี้ยวเบนที่คาดหวังจึงคาดว่าจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเช่นกัน^{[ 31 ]}การเพิ่มขึ้นของจำนวนรูปแบบการเลี้ยวเบนจะสร้างภาระอย่างมากต่อวิธีการวิเคราะห์ที่มีอยู่ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จึงมีการวิจัยวิธีการต่างๆ เพื่อจัดเรียงข้อมูลจำนวนมหาศาลที่การทดลองรังสีเอกซ์ FEL ทั่วไปจะสร้างขึ้น^{[ 32 ] [ 33 ]}แม้ว่าวิธีการต่างๆ จะแสดงให้เห็นว่ามีประสิทธิภาพ แต่ก็เห็นได้ชัดว่า เพื่อปูทางไปสู่การถ่ายภาพรังสีเอกซ์ FEL อนุภาคเดี่ยวที่อัตราการทำซ้ำเต็มที่ จะต้องเอาชนะความท้าทายหลายประการก่อนที่จะบรรลุการปฏิวัติความละเอียดครั้งต่อไปได้^{[ 34 ] [ 35 ]}

ความท้าทายที่เหลืออยู่ประการหนึ่งคือวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการส่งอนุภาคเดี่ยวไปยังลำแสงเอ็กซ์เรย์ มีแนวทางต่างๆ มากมายที่กำลังพัฒนาเพื่อแก้ไขปัญหานี้ ซึ่งรวมถึงการแตกตัวเป็นไอออนด้วยไฟฟ้าสเปรย์หัวฉีดเสมือนแบบไดนามิกของก๊าซและเจ็ทแผ่นของเหลวซึ่งมุ่งเป้าไปที่การให้กระแสตัวอย่างที่เสถียรและทำซ้ำได้^{[ 36 ] [ 37 ]}

สิ่งสำคัญคือต้องตรวจสอบให้แน่ใจอย่างสม่ำเสมอว่าอนุภาคตัดกับลำแสงเอ็กซ์เรย์ เนื่องจากการนำอนุภาคทีละตัวเข้ามา อัตราการกระทบกับลำแสงจึงมักต่ำมาก ซึ่งถือเป็นข้อจำกัดที่สำคัญของการถ่ายภาพเอ็กซ์เรย์ FEL แบบอนุภาคเดี่ยว ดังนั้น การปรับปรุงความเข้มข้นของตัวอย่างและความแม่นยำของวิธีการส่งจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มประสิทธิภาพในการเก็บรวบรวมข้อมูล^{[ 38 ]}

ไบโอมาร์กเกอร์ใหม่สำหรับโรคเมตาบอลิก: ด้วยการใช้ประโยชน์จากความจำเพาะและความไวสูงเมื่อรวมสเปกโทรสโกปีไอออนอินฟราเรดและแมสสเปกโทรเมตรีนักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างลายนิ้วมือโครงสร้างของโมเลกุลขนาดเล็กในตัวอย่างทางชีวภาพ เช่น เลือดหรือปัสสาวะได้ วิธีการใหม่และเป็นเอกลักษณ์นี้กำลังสร้างความเป็นไปได้ใหม่ที่น่าตื่นเต้นในการทำความเข้าใจโรคเมตาบอลิก ให้ดียิ่งขึ้น และพัฒนาวิธีการวินิจฉัยและรักษาแบบใหม่ๆ

งานวิจัยของ Glenn Edwards และเพื่อนร่วมงานที่ศูนย์ FEL ของมหาวิทยาลัย Vanderbilt ในปี 1994 พบว่าเนื้อเยื่ออ่อน รวมถึงผิวหนัง กระจกตาและเนื้อเยื่อสมอง สามารถตัดหรือทำลายได้โดยใช้ ความยาวคลื่น อินฟราเรด FEL ประมาณ 6.45 ไมโครเมตร โดยมีความเสียหายต่อเนื้อเยื่อข้างเคียงน้อยที่สุด^{[ 39 ] [ 40 ]}สิ่งนี้ทำให้เกิดการผ่าตัดในมนุษย์ ซึ่งเป็นการผ่าตัดครั้งแรกที่ใช้เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ เริ่มตั้งแต่ปี 1999 Copeland และ Konrad ได้ทำการผ่าตัด 3 ครั้งเพื่อตัดเนื้องอกสมองชนิดเมนิงจิโอ มา^{[ 41 ]}เริ่มตั้งแต่ปี 2000 Joos และ Mawn ได้ทำการผ่าตัด 5 ครั้งเพื่อเจาะช่องในปลอกหุ้มเส้นประสาทตาเพื่อทดสอบประสิทธิภาพของการเจาะปลอกหุ้ม เส้นประสาทตา ^{[ 42 ]}การผ่าตัดทั้ง 8 ครั้งนี้ให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกับมาตรฐานการดูแลรักษาและยังมีประโยชน์เพิ่มเติมคือความเสียหายต่อเนื้อเยื่อข้างเคียงน้อยที่สุด มีการทบทวนการใช้งาน FEL ทางการแพทย์ในฉบับที่ 1 ของ Tunable Laser Applications ^{[ 43 ]}

มีการสร้างเลเซอร์ขนาดเล็กที่ใช้ในทางคลินิกหลายชนิดที่สามารถปรับความถี่ได้ในช่วง 6 ถึง 7 ไมโครเมตร โดยมีโครงสร้างพัลส์และพลังงานเพื่อให้เกิดความเสียหายต่อเนื้อเยื่ออ่อนน้อยที่สุด ที่มหาวิทยาลัยแวนเดอร์บิลต์ มีระบบการเปลี่ยนความถี่แบบรามานที่ขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์อเล็กซานไดรต์^{[ 44 ]}

Rox Andersonเสนอการประยุกต์ใช้เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระทางการแพทย์ในการละลายไขมันโดยไม่ทำลายผิวหนังด้านบน^{[ 45 ]}ที่ความยาวคลื่นอินฟราเรด น้ำในเนื้อเยื่อจะถูกทำให้ร้อนโดยเลเซอร์ แต่ที่ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับ 915, 1210 และ 1720 นาโนเมตรไขมันใต้ผิวหนังจะถูกทำให้ร้อนมากกว่าน้ำอย่างเห็นได้ชัด การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ของการทำลายเนื้อเยื่อด้วยความร้อนโดยใช้แสงแบบเลือกเฉพาะนี้ (การให้ความร้อนแก่เนื้อเยื่อโดยใช้แสง) ได้แก่ การทำลายไขมันในต่อมไขมันอย่างเลือกเฉพาะเพื่อรักษาสิวรวมถึงการกำหนดเป้าหมายไขมันอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับเซลลูไลท์และไขมันในร่างกาย ตลอดจนคราบไขมันที่ก่อตัวในหลอดเลือดแดง ซึ่งสามารถช่วยรักษาโรคหลอดเลือดแดงแข็งและโรคหัวใจได้^{[ 46 ]}

เทคโนโลยี FEL กำลังได้รับการประเมินโดยกองทัพเรือสหรัฐฯในฐานะตัวเลือกสำหรับอาวุธพลังงานตรงต่อต้านอากาศยานและต่อต้านขีปนาวุธ FEL ของThomas Jefferson National Accelerator Facilityได้แสดงให้เห็นถึงกำลังเอาต์พุตมากกว่า 14 กิโลวัตต์^{[ 47 ]}อาวุธ FEL ขนาดกะทัดรัดระดับหลายเมกะวัตต์กำลังอยู่ระหว่างการวิจัย^{[ 48 ]}เมื่อวันที่ 9 มิถุนายน 2552 สำนักงานวิจัยกองทัพเรือได้ประกาศว่าได้มอบ สัญญาให้ กับ Raytheonเพื่อพัฒนา FEL ทดลองขนาด 100 กิโลวัตต์^{[ 49 ]}เมื่อวันที่ 18 มีนาคม 2553 Boeing Directed Energy Systems ได้ประกาศการออกแบบเบื้องต้นสำหรับการใช้งานของกองทัพเรือสหรัฐฯ เสร็จสมบูรณ์^{[ 50 ]}ระบบ FEL ต้นแบบได้รับการสาธิตแล้ว โดยมีต้นแบบกำลังเต็มรูปแบบกำหนดไว้ภายในปี 2561 ^{[ 51 ]}

รางวัล FEL มอบให้แก่บุคคลที่ได้มีส่วนสำคัญในการพัฒนาวงการเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ นอกจากนี้ยังเปิดโอกาสให้ชุมชน FEL ระหว่างประเทศได้ยกย่องสมาชิกที่มีผลงานโดดเด่น โดยจะมีการประกาศรายชื่อผู้ได้รับรางวัลในงานประชุม FEL ซึ่งปัจจุบันจัดขึ้นทุกสองปี

• จอห์น เมดีย์ 1988
• วิลเลียม คอลสัน 1989
• 1990 ท็อดด์ สมิธ และ หลุยส์ เอเลียส
• 1991 ฟิลลิป สแปร์นเกิลและนิโคไล วิโนคูรอฟ
• 1992 โรเบิร์ต ฟิลลิปส์
• 1993 โรเจอร์ วอร์เรน
• 1994 อัลแบร์โต เรนิเอรี และจูเซปเป้ ดัตโตลี
• 1995 ริชาร์ด แพนเทลล์ และจอร์จ เบเคฟี
• 1996 ชาร์ลส์ บราว
• 1997 กวางเจ คิม
• 1998 จอห์น วอลช์
• 1999 เคลาดิโอ เปллеกรินี
• 2000 Stephen V. Benson, Eisuke J. Minehara และ George R. Neil
• 2001 มิเชล บิลลาร์ดอน, มารี-เอ็มมานูแอล คูปรี และฌอง-มิเชล ออร์เทกา
• 2002 เอช. อลัน ชเวตต์แมน และอเล็กซานเดอร์ เอฟจี ฟาน เดอร์ เมียร์
• 2003 หลี่หัวหยู
• 2004 วลาดิมีร์ ลิตวิเนนโก และ ฮิโรยูกิ ฮามะ
• 2005 อับราฮัม (อาวี) โกเวอร์
• 2006 เอฟเกอนี ซัลดิน และ ยอร์ก รอสส์บัค
• 2007 อิลาน เบน-ซวีและ เจมส์ โรเซนซไว็ก
• 2008 ซามูเอล ครินสกี
• 2009 เดวิด ดาวเวลล์ และ พอล เอ็มม่า
• 2010 สเวน ไรเช่
• 2011 สึโมรุ ชินตาเกะ
• 2012 จอห์น กาเลย์ดา
• 2013 ลูคา จิอันเนสซี และ ยัง อุก จอง
• 2014 จี้หรง ฮวง และวิลเลียม ฟอว์ลีย์
• 2015 มิคาอิล ยูร์คอฟ และ เยฟเกนี ชไนดมิลเลอร์
• 2017 บรูซ คาร์ลสเตน , ดินห์ เหงียน และ ริชาร์ด เชฟฟิลด์
• 2019 เอ็นริโก อัลลาเรีย, เกนนาดี สตูพาคอฟ และอเล็กซ์ ลัมป์กิน
• 2022 ไบรอัน แม็คนีล และ หยิง วู
• 2024 โทรุ ฮาระ, ฮิโตชิ ทานากะ และ ทาคาชิ ทานากะ

รางวัลนักวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่ FEL (หรือ "รางวัลนักวิจัยรุ่นใหม่ FEL") มีวัตถุประสงค์เพื่อยกย่องผลงานที่โดดเด่นด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี FEL จากบุคคลที่มีอายุน้อยกว่า 37 ปี ณ เวลาที่การประชุม FEL จัดขึ้น^{[ 52 ]}

• 2008 ไมเคิล โรห์รส
• 2009 พาเวล เอฟตูเชนโก
• 2010 กิโยม แลมเบิร์ต
• 2011 มารี ลาบาต์
• 2012 แดเนียล เอฟ. แรทเนอร์
• 2013 ดาวเซียง
• 2014 เอริก เฮมซิง
• 2015 อากอสติโน่ มาริเนลลี และไห่เซียว เติ้ง
• 2017 ยูเจนิโอ เฟอร์รารี และเอเลโอนอร์ รุสเซล
• 2019 โจ ดูริส และ เฉาเฟิง
• 2022 เจิน จาง, เจียเว่ย หยาน และสวิโตซาร์ เซอร์เคซ
• 2024 ฟิลิปป์ ไดจ์คสตัล

• เบร็มส์ตราห์ลุง
• รังสีไซโคลตรอน
• คลื่นอิเล็กตรอน
• เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอ็กซ์เรย์ยุโรป
• ไจโรตรอน
• เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นนานาชาติ
• คำย่อของเลเซอร์
• ผลกระทบของสมิธ-เพอร์เซลล์
• รังสีซินโครตรอน

• Madey, John MJ (1971). "การปล่อยรังสีเบร็มส์ตรัลลุงแบบกระตุ้นในสนามแม่เหล็กแบบเป็นคาบ". วารสารฟิสิกส์ประยุกต์ . 42 (5): 1906– 1913. Bibcode : 1971JAP....42.1906M . doi : 10.1063/1.1660466 .
• มาดีย์, จอห์น, การปล่อยรังสีแบบกระตุ้นในลำอิเล็กตรอนที่เบี่ยงเบนเป็นระยะ, สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา 38 22 410, 1974
• Boscolo, I.; Brautti, G.; Clauser, T.; Stagno, V. (1979). "เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระและมาเซอร์บนเส้นทางโค้ง". ฟิสิกส์ประยุกต์ 19 ( 1): 47– 51. Bibcode : 1979ApPhy..19...47B . doi : 10.1007/BF00900537 . S2CID  121093465 .
• Deacon, DAG; Elias, LR; Madey, JMJ; Ramian, GJ; Schwettman, HA; Smith, TI (1977). "การทำงานครั้งแรกของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ" . Physical Review Letters . 38 (16): 892– 894. Bibcode : 1977PhRvL..38..892D . doi : 10.1103/physrevlett.38.892 .
• Elias, Luis R.; Fairbank, William M.; Madey, John MJ; Schwettman, H. Alan; Smith, Todd I. (1976). "การสังเกตการปล่อยรังสีแบบกระตุ้นโดยอิเล็กตรอนสัมพัทธภาพในสนามแม่เหล็กตามขวางแบบเป็นคาบเชิงพื้นที่" . Physical Review Letters . 36 (13): 717– 720. Bibcode : 1976PhRvL..36..717E . doi : 10.1103/physrevlett.36.717 .
• Gover, Avraham; Livni, Zohar (1978). "โหมดการทำงานของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ Cerenkov-Smith-Purcell และแอมพลิฟายเออร์ TW" Optics Communications . 26 (3): 375– 380. Bibcode : 1978OptCo..26..375G . doi : 10.1016/0030-4018(78)90226-2 .
• Gover, A.; Yariv, A. (1978). "ปฏิสัมพันธ์แบบรวมกลุ่มและแบบอิเล็กตรอนเดี่ยวของลำอิเล็กตรอนกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ" Applied Physics . 16 (2): 121– 138. Bibcode : 1978ApPhy..16..121G . doi : 10.1007/bf00930376 . S2CID  18497302 .
• " โครงการ FEL ที่ห้องปฏิบัติการเจฟเฟอร์สัน " โครงการเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระของห้องปฏิบัติการเจฟเฟอร์สัน
• Brau, CA (1988). " เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ". Science . 239 (4844): 1115– 1121. Bibcode : 1988Sci...239.1115B . doi : 10.1126/science.239.4844.1115 . PMID  17791971. S2CID  45638507 .
• Paolo Luchini, Hans Motz, Undulators and Free-electron Lasers , Oxford University Press, 1990.

• บทที่ว่าด้วย XFEL ซึ่งรวมอยู่ในเว็บไซต์สำหรับการเรียนรู้ด้านผลึกศาสตร์CSIC
• Lightssources.org
• LCLS (Linac Coherent Light Source) คือแหล่งกำเนิดแสงเอ็กซ์เรย์พลังงานสูง (FEL) แห่งแรกของโลก ณ ห้องปฏิบัติการเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC
• FERMIคือเครื่องเร่งอนุภาค FEL ใหม่ที่ เครื่องเร่งอนุภาคซิงโครตรอน ELETTRAในเมืองตรีเอสเต
• หนังสือเปิดเรื่องเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ (สำนักพิมพ์ National Academies Press) เก็บถาวรเมื่อวันที่ 19 กรกฎาคม 2551 ที่Wayback Machine
• ห้องสมุดเสมือนจริงของเวิลด์ไวด์เว็บ: งานวิจัยและการประยุกต์ใช้เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเก็บถาวรเมื่อวันที่ 28 ตุลาคม 2551 ที่Wayback Machine
• XFEL ของยุโรป
• พีเอสไอ สวิสเฟล
• แหล่งจ่ายหมึกพิมพ์ SASE ขนาดกะทัดรัด SPring-8
• PAL-XFELเกาหลีใต้
• ระบบลำเลียงลำอิเล็กตรอนและอุปกรณ์วินิจฉัยของเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนอิสระเดรสเดน (Dresden FEL)
• เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระสำหรับการทดลองอินฟราเรด FELIX
• ศูนย์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ WM Keck
• โครงการเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระของห้องปฏิบัติการเจฟเฟอร์สัน
• เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ: รุ่นต่อไปโดย ดาวิเด คาสเตลเวคคีนิวไซเอนทิสต์ 21 มกราคม 2549
• เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระระดับเมกะวัตต์แบบติดตั้งบนอากาศยานเพื่อการป้องกันและความมั่นคง
• โครงการเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ FERMI@Elettra
• ศูนย์วิทยาศาสตร์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ (CFEL)
• ห้องปฏิบัติการ FELIXเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ ในเมืองไนจ์เมเกน ประเทศเนเธอร์แลนด์