自由电子激光器的工作原理及其应用

自由电子激光器在短波长、大功率、高效率和波长可调节这四大主攻方向上，为激光学科的研究开辟了一条新途径，它可望用于对凝聚态物理学、材料特征、激光武器、激光反导弹、雷达、激光聚变、等离子体诊断、表面特性、非线性以及瞬态现象的研究，在通讯、激光推进器、光谱学、激光分子化学、光化学、同位素分离、遥感等领域，应用的前景十分可观。

由于自由电子激光器的一系列优良特性，其受到人们的格外重视。目前, 除自由电子激光器之外, 还没有一种激光器能同时具备这些特点。这是因为它产生激光的原理与以往的激光器有本质上的不同。自由电子激光器是利用相对论电子束通过周期磁场将电子束的动能转换为辐射能。

自由电子激光器是七十年代中期以来发展起来的一类新型激光器。它将电子束动能转变成激光辐射, 代表了一种全新的产生相干辐射的概念。自由电子激光器一般由电子***、摆动器和光学系统几个部分构成。***产生的高能电子束, 通过摆动器内沿长度方向交替变化的磁场时, 产生横向摆动, 并以光子的形式损失一部分能量。这部分能量转变成激光辐射, 通过光学系统输出。

自由电子受激辐射的设想曾于1950年由Motz提出，并在1953年进行过实验，因受当时条件的限制，未能得到证实。1971年斯坦福大学的Madey等人重新提出了恒定横向周期磁场中的场致受激辐射理论，并首次在毫米波段实现了受激辐射；1976年Madey小组第一次实现了激光放大，1977年4月斯坦福大学Deacon等人才研制成第一台自由电子激光振荡器。它由一根抽成真空的长5.2米的铜管组成，外面绕有超导导线，以便在整个管上产生一个周期为3.2厘米的变化的横向静磁场（如图），轴上磁感应强度B_0为0.24特斯拉。铜管两端装有反射镜组成谐振腔，腔长12.7米，输出镜面的反射率为1.5%，能散度小于3times10^{-3}的43.5兆电子伏的电子束由超导***产生。

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工作原理

自由电子激光的物理原理是利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。利用这一基本思想而设计的激光器称为自由电子激光器(简称FEL)。如图1所示，一组扭摆磁铁可以沿z轴方向产生周期性变化的磁场．磁场的方向沿Y轴。由***提供的高速电子束经偏转磁铁D导入摆动磁场。由于磁场的作用．电子的轨迹将发生偏转而沿着正弦曲线运动，其运动周期与摆动磁场的相同。这些电子在XOZ面内摇摆前进．沿x方向有一加速度．因而将在前进的方向上自发地发射电磁波。辐射的方向在以电子运动方向为中心的一个角度范围内。

它的工作原理可简述如下。由***产生的高能电子经偏转磁铁注入到极**替变换的扭摆磁铁中。电子因做扭摆运动而产生电磁辐射（光脉冲），光脉冲经下游及上游两反射镜反射而与以后的电子束团反复发生作用。结果是电子沿运动方向群聚成尺寸小于光波波长的微小的束团。这些微束团将它们的动能转换为光场的能量，使光场振幅增大。这个过程重复多次，直到光强达到饱和。作用后的电子则经下游的偏转磁铁偏转到系统之外。以上是FEL产生过程的比较形象的描述。从物理学角度看，这个过程就是电子对辐射的受激康普顿散射的结果。这里一个最为关键的环节是电子要聚集成许多短于光波波长的束团。因为，只有这样它的辐射才是相干的，而FEL的技术难度，恰恰也正在于此。电子束性能必须十分优越（能量分散小，方向分散小，时间稳定度高……），同时流强尽可能大，才能达到要求，显然，FEL工作波长愈短，技术难度也就愈大。

通过稳定的电子束来泵浦，配置电子贮存环让电子束再加速并再循环使用，用静电方法或逆向运转的射频线性***使电子减速以充分利用出射电子束的剩余能量，使用上述任何一种方法都可以进一步增大总体效率。自由电子激光器输出的激光波长lambda _s与电子的能量E有关：lambda _s sim 1/E^2，故改变电子束的加速电压就可以改变激光波长，这叫做电压调谐，其调谐范围很宽，原则上可以在任意波长上运转。在现有的电子枪和***的实验条件下，可以获得从毫米波到1000Å的光频波段范围内的连续调谐的相干辐射。自由电子激光器的输出功率与电子束的能量、电流密度以及磁感应强度B_0有关，它可望成为一种高平均功率、高效率（理论极限达40%）、高分辨率的具有稳定功率和频率输出的激光器件，采用它能够避免某些工艺上的麻烦（如激光工作物质稀缺、有毒或腐蚀金属、玻璃），另外，它基本上不存在使用寿命问题。

自由电子激光器的应用

由于自由电子激光器具有许多一般激光器望尘莫及的优点, 所以自由电子激光器问世后不久,科学家们就开始着手于研究它的应用问题.自由电子激光特别适宜于研究光与原子、分子和凝固态物质的相互作用, 这类研究涉及到固体表面物理、半导体物理、超导体、凝聚态物理、化学、光谱学、非线性光学、生物学、医学、材料、能源、通信、国防和技术科学等多个方面.原子核工程是自由电子激光器应用最有前途的领域之一, 自由电子激光器在此应用上的最大优点是高功率、宽可调光谱范围, 以及准连续运转特点.因此, 可应用于物质提纯、受控核聚变、铀、钆、硼、锶和钛等元素的同位素分离和等离子体加热等。

自由电子激光器的高效率、短脉冲及波长可调的优点, 在工业上也有广阔的应用前景.例如在半导体工艺中的薄膜沉积、平板印刷术、蚀刻、掺杂质等, 自由电子激光器特别适合大批量材料处理, 因为它的波长可调谐, 器件又可放大到能输出高平均功率.用于材料处理时, 要求功率为1 ～5KW, 波长为8 ～ 20μm的自由电子激光器.自由电子激光器还可进行各种化学分析与测量, 可以生产高纯硅晶体、满足计算机生产的需要.集成电路装配, 包括量子处理和光刻可更多地借助短波自由电子激光器.另外, 自由电子激光器还用在激光加工、光CVD等方面的材料, 制作X射线激光器、激光***等。

自由电子激光器还用在原子、分子的基础研究上, 光化学可依赖工作在紫外到远紫外区的自由电子激光器.自由电子激光的可调谐性和超短脉冲特性, 使得探索化学反应过程、生化过程的动态过程成为可能.这对研究物质的结构和性能对生成新物质的研究, 将会产生革命性的变革和新的进展。

医学也是自由电子激光器应用最丰富的领域, 而目前当务之急是研制紧凑、实用的小型自由电子激光器, 其主要目的是把价格降到大医院能买得起的水平.对医学研究和治疗而言, 这种激光器可在1 ～ 10μm波段可调, 输出功率不超过几百瓦, 此种应用一般要求有几瓦平均功率.更可观的是自由电子激光器可以为空间站输送能量, 以降低空间站对太阳能电池的依赖性.用于向卫星传输功率时, 要求功率为100KW ～ 1MW,波长为0.86μm的自由电子激光器.在军事上, 自由电子激光器可以成为强激光武器, 是反洲际导弹的激光武器的主要潜在手段之一.自由电子激光器功率虽然强大, 但由于其体积庞大, 因此目前只适宜安装在地面上, 供陆基激光器使用.在毫米波段, 自由电子激光器是唯一有效的强相干信号源, 在毫米波激光雷达、反隐形军事目标和激光致盲等研究中具有不可替代的重要应用价值。

发展前景

自由电子激光器在短波长、大功率、高效率和波长可调节这四大主攻方向上，为激光学科的研究开辟了一条新途径，它可望用于对凝聚态物理学、材料特征、激光武器、激光反导弹、雷达、激光聚变、等离子体诊断、表面特性、非线性以及瞬态现象的研究，在通讯、激光推进器、光谱学、激光分子化学、光化学、同位素分离、遥感等领域，它应用的前景也很可观。