自由電子激光

原理發(fā)展特點及應用前景周陽2016021668激光是基于受激放大原理而產(chǎn)生的一種相干光輻射.普通激光是固體或氣體的原子或分子產(chǎn)生的受激相干輻射，而自由電子激光則是由真空中的自由電子產(chǎn)生的受激相干輻射.自由電子激光WHAT自由電子激光是利用自由電子為工作媒質(zhì)產(chǎn)生的強相干輻射，它的產(chǎn)生機理不同于原子內(nèi)束縛電子的受激輻射。

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

HOW自由電子激光具有一系列已有激光光源無法替代的優(yōu)點。例如，頻率連續(xù)可調(diào)，頻譜范圍廣，峰值功率和平均功率大，且可調(diào)，相干性好，偏振強，具有ps量級脈沖的時間結(jié)構(gòu)，且時間結(jié)構(gòu)可控等等。

原理圖如下，它由電子束注入器(電子加速器)、扭擺磁鐵和光學諧振腔(主要是兩個反射鏡)三部分組成.扭擺磁鐵由很多組磁鐵構(gòu)成，相鄰兩組磁鐵的磁場方向是上下交替變化的，磁場變化的空間周期用表示.由電子加速器注入到扭擺磁場區(qū)的電子向z方向前進并在洛倫茲力的作用下，在x一z平面內(nèi)左右往復地擺動，當電子在磁場區(qū)域內(nèi)作圓弧形運動有向心加速度就會沿軌道的切線方向輻射出電磁波，其半張角為自由電子激光裝置的原理圖

實際上是以電子的靜止能量作單位來量度的電子能量.在一定條件下由各點向z方向發(fā)射的電磁波可以具有相同的位相(即為相干光)并能從電子束得到能量使電磁波的能量增加(受激放大).由全反射鏡和半反半透鏡組成的諧振腔則使一部分電磁輻射往返運動，受到反復放大，并從半反半透鏡輸出.下面我們就來分析一下實現(xiàn)相干和受激放大的原理和條件.相干：圖2中A、B為相距一個磁場周期的相應的兩點，電子先后經(jīng)過這兩點時都會輻射出電磁波，設其波長為.由于電子在A、B兩點的運動情況完全相同，在這兩點剛發(fā)出的電磁波應具有相同的位相，當電子從A運動到B點開始輻射時，A點發(fā)出的光已傳到A'，A、B兩點發(fā)的光要相干，就要B'點的光和B點剛發(fā)的光具有相同的位相，即要(n=1，2，3，…).設電子沿z方向的速度為，則有

如果電磁波向z方向發(fā)射，,則實現(xiàn)相干的條件為受激放大沿z方向傳播的光輻射和前方的電子相互作用使電子的動能減少，光能增加.電子環(huán)形運動時產(chǎn)生的光輻射是偏振的，沿z方向傳播的光的電矢量E應在電子軌道平面內(nèi)沿x方向振動，E的表達式可寫為:扭擺電子具有二方向的分速度，若光的電場正好使電子減速，則電子能量減少，光輻射的能量增加.根據(jù)能量守恒，單位時間內(nèi)電場對電子所做的功和電子能量的變化應有以下關(guān)系-ev·E=，m=若v·E對時間積分的效果大于零，則電子束能量減少，輻射場受激.當電子和光輻射向z方向運動時，光輻射的電矢量沿x方向來回振動，每半個波長改變一次方向，電子速度v的x分量方向則每當電子前進也改變一次.為了保持v·E>O，當電子沿z方向穿過距離時，光輻射應比電子多走的距離，即要k=0,1,2...,若令n=2k+1=1,3,5,則得特點:(l)單色，頻率可調(diào)，調(diào)諧范圍寬自由電子激光是單色的相干光;波長可隨電子束能量的變化而變化，而加速器輸出的電子束能量可以方便地在相當大的范圍內(nèi)改變，頻譜可從遠紅外跨越到X射線.而絕大多數(shù)普通激光器只能在固定的波長下工作(2)光束質(zhì)量好單色性好，譜線窄;高度偏振;它的光脈沖的時間結(jié)構(gòu)也非常優(yōu)異，既有Ps級的短脈沖，也有幾百微秒的長脈沖，脈沖的時間結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)不同需要加以改變.(3)功率高普通激光器在高功率下運行時會由于熱效應使工作介質(zhì)損壞，自由電子激光的工作介質(zhì)是真空中的電子束，不存在熱效應問題，因此功率可以很高，最高峰值功率可達GW量級.

由于自由電子激光具有上述突出的優(yōu)點而被一些人稱為第四代的同步輻射，它在國防、醫(yī)學、固體物理、材料科學、生命科學和能源領(lǐng)域都有廣泛的應用。

一、在醫(yī)學上的應用由于人體各種組織對不同波長激光的吸收與散射參數(shù)是激光醫(yī)學中的重要數(shù)據(jù)，被認為是理想的醫(yī)學激光器，能夠在依賴頻率效應的組織和器官上找到應用——由于蛋白質(zhì)在4.5um左右的波長上吸收光能最好，因而自由電子激光在激光開刀手術(shù)上具有更小的組織創(chuàng)傷面。二、在化學方面的應用自由電子激光不僅在現(xiàn)代化學基礎研究上發(fā)揮重大的作用，而且在化學工業(yè)上也有重要作用。1.研究分子激發(fā)態(tài)和分子內(nèi)和分子間的能量轉(zhuǎn)移，探索化學反應的新途徑。2.激光化學處理。3.激光同位素分離。4.用激光進行材料的化學處理，如用激光誘導表面改性等。三、在其它物理方面的應用1.遠紅外自由電子激光正好彌補了遠紅外光譜區(qū)光源和探測器的不足。非線性光譜和瞬態(tài)研究將主要受益于遠紅外自由電子激光脈沖，例如分子的能量傳輸機理等。2.亞毫米自由電子激光可應用到半導體物理學中很重要很新的熱電子問題上。當熱電子效應未知時，亞毫米自由電子激光可以產(chǎn)生并且探測其載體的瞬態(tài)行為。3.亞毫米自由電子激光很高的平均功率，使它可應用到強磁場中的等離子體加熱或診斷上。4.在激光誘導原子聚變，要求波長為0.3um的短脈沖激光，輸送一兆焦耳的能量到靶上，自由電子激光有能力應用到這個項目上。5.在高能物理加速器方面，自由電子激光可提供高密度加速電場，以實現(xiàn)新一代更高能量的加速器。四、在信息學科中的應用1.在高分辨雷達方面，毫米和紅外自由電子激光是很重要的波源。2.在100公里至150公里高空處遙感診斷分子種類，自由電子激光將是非常有用的。五、在材料科學中的應用利用激光所擁有的特點制備新穎材料是近年來發(fā)展極為迅速而頗有成效的一種新方法。由于激光束可以聚焦成極小的光斑，在局部小范圍內(nèi)迅速加熱而不影響周圍材料的性質(zhì)，因此可在材料表面進行優(yōu)化處理。發(fā)展趨勢(1)向短波方向發(fā)展由于技術(shù)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(qū)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是加速器技術(shù)上的進步，F(xiàn)EL將不斷向短波(真紫外、軟x射線)方向推動。(2)提高峰值功率及平均功率這主要是出于軍事目的(比如定向能武器和軍事通信)。(3)發(fā)展小型化專用裝置及工業(yè)應用當前自由電子激光發(fā)展的重要方向是發(fā)展小型、緊湊、實用、經(jīng)濟的專用FEL裝置.美國、日本等國的許多著名公司都在積極研究經(jīng)濟實用的專用FEL裝置(4)提高功率轉(zhuǎn)換效率FEL的能量轉(zhuǎn)換效