自由電子激光

自由電子激光是利用自由電子為工作媒質產生的強相干輻射，它的產生機理不同於原子內束縛電子的受激輻射。自由電子激光的概念是John M. J. Madey於1971年在他的博士論文中首次提出的，並在1976年和他的同事們在斯坦福大學實現了遠紅外自由電子激光，觀察到了10.6μm波長的光放大。自那以後，許多國家都開展了關於自由電子激光的理論與實驗研究。

自由電子激光的基本原理是通過自由電子和光輻射的相互作用，電子將能量轉送給輻射而使輻射強度增大。

自由電子激光具有一系列已有激光光源無法替代的優點。例如，頻率連續可調、頻譜範圍廣、峯值功率和平均功率高且可調、相干性好、偏振強，具有ps量級脈衝的時間結構，且時間結構可控，等等。中國科學院高能所已於1993年製成我國第一台自由電子激光裝置。

自由電子激光的物理原理是利用通過週期性擺動磁場的高速電子束和光輻射場之間的相互作用，使電子的動能傳遞給光輻射而使其輻射強度增大。利用這一基本思想而設計的激光器稱為自由電子激光器（簡稱FEL）。如圖1所示，一組扭擺磁鐵可以沿z軸方向產生週期性變化的磁場．磁場的方向沿y軸。由加速器提供的高速電子束經偏轉磁鐵D導入擺動磁場。由於磁場的作用．電子的軌跡將發生偏轉而沿着正弦曲線運動，其運動週期與擺動磁場的相同。這些電子在xOz面內搖擺前進，沿x方向有一加速度，因而將在前進的方向上輻射出電磁波。輻射的方向在以電子運動方向為中心的一個角度範圍內。

由此可見，自由電子激光器的工作原理完全基於經典物理學，不同於傳統激光器（如紅寶石激光器）依賴於原子的受激吸收與受激輻射這一量子現象。在經典物理學中，能量是連續的，而不是離散（量子化）的。從而，自由電子激光器可以實現輻射頻率的大範圍連續調節。

自1960年世界上第一台激光器誕生以來，隨着激光器技術的研究和發展，人們普遍希望普通激光器的功率、效率、波長調諧範圍能有大幅度地提高。但對於普通的激光器來説，簡直難以做到。於是，科學家們開始探索新的方法、新的途徑來提高激光器的性能。早在20世紀50年代初期，就有人提出了自由電子受激輻射的設想。

1950年，有人用射頻直線加速器和擺動器演示了可見波長自發輻射和微波相干輻射。1957年到1964年間，自由電子微波激射器問世，被稱為“ubitron”。在5mm波長上產生150kW的峯值功率同時，人們利用高能電子在軸向磁場中的橫向迴旋運動產生毫米波，但一直到1974年才首次在毫米波段實現受激輻射。

1977年，美國斯坦福大學的紅外波段實現受激輻射。當時研究此課題時所需的電子加速器等設備相當複雜且價格昂貴。

1978年，美國海軍研究實驗室在紅外區也取得實驗成功。20世紀70年代，自由電子激光研究還沒有特別興旺。當它重新開始升温時，分別通過受激康普頓散射和受激拉曼散射發展。1983年，法國奧賽的電磁輻射應用實驗室，首次用儲存環中運行的電子束獲得激光效應，這台新型的自由電子激光器首次在可見光頻段發出光輻射。

1984年，美國物理學家在加速器上利用電子束放大一束微波輻射，獲得了高功率、高效率、波長寬調諧範圍的激光。自由電子激光器潛在高輸出功率、高效率特性，使它首先就被考慮用在國防上。

20世紀80年代，美國里根總統提出了戰略防禦倡議計劃，使自由電子激光器成為美國“星球大戰”計劃中陸基或天基定向能武器中最有希望的候選者。這就促使了美國自由電子激光器的研究、開發取得了一系列很大的進展。激光技術的研究和開發應用是以軍事武器的研究應用為先導，而逐步推廣應用於民品開發生產中去的。研究和發展自由電子激光器的領域十分廣闊，科學家們在許多領域內進行了大量嘗試或試探性的應用研究工作。由於自由電子激光器體積龐大、造價高昂，極大地限制了其使用範圍。自由電子激光器能否充分發揮其優異特性而走向實用，最終將取決於器件能否小型化。因此，國際上研究自由電子激光器的熱點轉向了小型化、實用化、短波長（真空紫外、軟X射線）方面。美國LosAlamos實驗室於1993年首次實驗成功小型化的自由電子激光器（FEL）它運行在4~6txm波段，輸出峯值功率10MW，光陰極電子槍的亮度高達2×10 A/m ·rad ，實現了高質低能（17Mev）電子束產生中紅外自由電子激光。整個裝置佔有較小的空間，從而使FEL向小型化和實際應用邁進了一大步。另一方面，人們在小週期波盪器、虛火花放電裝置及虛火花放電、高壓電源的改進等幾項新技術方面開展的研究都為自由電子激光器走向小型化提供了有利條件。同時，研製波長几毫米以下的微型擺動器以及激光擺動器、適於上述擺動的低能及角度色散電子束源的開發也成為研究的目標。另外，利用切倫科夫輻射和史密斯·帕塞爾輻射的新型自由電子激光器，體積也大大縮小。

20世紀90年代初期，自由電子激光器的平均功率就已達11W。為進一步提高自由電子激光的輸出功率和效率並進一步縮短波長，特別是探索更有效的短波長（紫外及X射線）自由電子激光的機理，人們對各種與等離子體有關的“非常規”自由電子激光器進行了研究，並迅速成為自由電子激光研究領域內的熱點之一。如等離子體波Wiggler自由電子激光，以等離子體為背景的靜磁Wiggler自由電子激光和離子通道激光。

1994年10月，日本關西學術文化研究都市津田的自由電子激光研究所製成了兆瓦量級的自由電子激光實用裝置。這歸功於花了二、三十年研究成功的電子直線加速器、微波源和超高真空等基礎技術。開發遠紫外自由電子激光器需要大電流的貯存環，長壽命的電子槍以及10Pa的超高真空等技術。以自放大自發輻射為基礎的單程自由電子激光器提供了另一種向真空紫外和X射線激光推進的路線，這種自由電子激光器可能提供極強的偏振超脈衝類激光輻射。除了它們的高峯值亮度和高平均亮度外，電子能量的可調諧性使得這種自由電子激光器成為真空紫外和X射線輻射無可匹敵的光源。

本世紀初，德國漢堡研究人員報告了德國電子同步加速器的真空紫外激光器已產生80～120nm可調諧、吉瓦級功率、30～100fs脈衝，其峯值亮度比目前第三代同步輻射源高8個數量級。2003年開始進行6nm自由電子激光器的研究工作。

人們在成功地建造出真空紫外波段的自放大自發輻射自由電子激光器後，研究人員把目光放在產生0.1nm最小波長的X射線自由電子激光器上。德國漢堡電子對撞中心（DESY）的科學家研製出了相當於1000萬倍自然光強度的X射線激光器。這種自由電子激光器達到了理論上的最大功率。在紫外線照射時，其功率比其它光源要強千倍。這台自由電子激光器長約30m，波長範圍在80~180nm之間。據俄羅斯“勞動報”報道，西伯利亞科學家成功地製造出一台世界上獨一無二的輸出功率和頻率均可調的自由電子激光器。這台自由電子激光器高達百米，功率可調範圍為10~100kW，波長的變化範圍為2～30lx·m，該激光器的方向性極強，光束射到月球表面時，光斑直徑不超過30cm。

由於自由電子激光器具有許多一般激光器望塵莫及的優點，所以自由電子激光器問世後不久，科學家們就開始着手於研究它的應用問題。自由電子激光特別適宜於研究光與原子、分子和凝固態物質的相互作用，這類研究涉及到固體表面物理、半導體物理、超導體、凝聚態物理、化學、光譜學、非線性光學、生物學、醫學、材料、能源、通信、國防和技術科學等多個方面。原子核工程是自由電子激光器應用最有前途的領域之一，自由電子激光器在此應用上的最大優點是高功率、寬可調光譜範圍，以及準連續運轉特點。因此，它可應用於物質提純、受控核聚變、鈾、釓、硼、鍶和鈦等元素的同位素分離和等離子體加熱等。

自由電子激光器的高效率、短脈衝及波長可調的優點，在工業上也有廣闊的應用前景。例如在半導體工藝中的薄膜沉積、平板印刷術、蝕刻、摻雜質等，自由電子激光器特別適合大批量材料處理，因為它的波長可調諧，器件又可放大到能輸出高平均功率。用於材料處理時，要求功率為1~5KW，波長為8~20Van的自由電子激光器。自由電子激光器還可進行各種化學分析與測量，可以生產高純硅晶體、滿足計算機生產的需要．集成電路裝配，包括量子處理和光刻可更多地藉助短波自由電子激光器。另外，自由電子激光器還用在激光加工、光CVD等方面的材料，製作X射線激光器、激光加速器等。自由電子激光器還用在原子、分子的基礎研究上。光化學可依賴工作在紫外到遠紫外區的自由電子激光器。自由電子激光的可調諧性和超短脈衝特性，使得探索化學反應過程、生化過程的動態過程成為可能。這對研究物質的結構和性能，以及對生成新物質的研究，將會產生革命性的變革和新的進展。

醫學也是自由電子激光器應用最豐富的領域，而目前當務之急是研製緊湊、實用的小型自由電子激光器，其主要目的是把價格降到大醫院能買得起的水平。對醫學研究和治療而言，這種激光器可在1~101am波段可調，輸出功率不超過幾百瓦，此種應用一般要求有幾瓦平均功率。

觀的是自由電子激光器可以為空間站輸送能量，以降低空間站對太陽能電池的依賴性。用於向衞星傳輸功率時，要求功率為100kW~1MW，波長為0.86tun的自由電子激光器。

在軍事上，自由電子激光器可以成為強激光武器，是反洲際導彈的激光武器的主要潛在手段之一。自由電子激光器功率雖然強大，但由於其體積龐大，因此目前只適宜安裝在地面上，供陸基激光器使用。在毫米波段，自由電子激光器是唯一有效的強相干信號源，在毫米波激光雷達、反隱形軍事目標和激光致盲等研究中具有不可替代的重要應用價值。

(1)向短波方向發展 由於技術上的困難，目前建成的自由電子激光器主要工作在遠紅外與紅外區。隨着技術的不斷髮展，特別是加速器技術上的進步，FEL將不斷向短波（真紫外、軟X射線）方向推動。

(2)提高峯值功率及平均功率 這主要是出於軍事目的（比如定向能武器和軍事通信）。

(3)發展小型化專用裝置及工業應用 目前，美國、日本等國的許多著名公司都在積極研究經濟實用的專用FEL裝置。

(4)提高功率轉換效率 目前，FEL的能量轉換效率還很低（10%~20% ），因此，無論從科學實驗、工業應用還是軍事目的，都有待於提高總功率轉換效率。最新研究表明，將射出的無用電子束送人減速裝置回收其能量，回收率可達95% 。自由電子激光從出現至今剛剛經歷了20個年頭，尚處於發展的初期階段，技術還不成熟，但FEL性能上無可比擬的優點，越來越引起科學界、軍事界、醫學界的高度重視。已成為科學技術領域最活躍的領域之一。