自由电子激光

自由电子激光

原理发展特点及应用前景周阳2016021668激光是基于受激放大原理而产生的一种相干光辐射.普通激光是固体或气体的原子或分子产生的受激相干辐射，而自由电子激光则是由真空中的自由电子产生的受激相干辐射.自由电子激光WHAT自由电子激光是利用自由电子为工作媒质产生的强相干辐射，它的产生机理不同于原子内束缚电子的受激辐射。

WHY自由电子激光的基本原理是通过自由电子和辐射的相互作用，电子将能量转送给辐射而使辐射强度增大。

HOW自由电子激光具有一系列已有激光光源无法替代的优点。例如，频率连续可调，频谱范围广，峰值功率和平均功率大，且可调，相干性好，偏振强，具有ps量级脉冲的时间结构，且时间结构可控等等。

原理图如下，它由电子束注入器(电子加速器)、扭摆磁铁和光学谐振腔(主要是两个反射镜)三部分组成.扭摆磁铁由很多组磁铁构成，相邻两组磁铁的磁场方向是上下交替变化的，磁场变化的空间周期用表示.由电子加速器注入到扭摆磁场区的电子向z方向前进并在洛伦兹力的作用下，在x一z平面内左右往复地摆动，当电子在磁场区域内作圆弧形运动有向心加速度就会沿轨道的切线方向辐射出电磁波，其半张角为自由电子激光装置的原理图

实际上是以电子的静止能量作单位来量度的电子能量.在一定条件下由各点向z方向发射的电磁波可以具有相同的位相(即为相干光)并能从电子束得到能量使电磁波的能量增加(受激放大).由全反射镜和半反半透镜组成的谐振腔则使一部分电磁辐射往返运动，受到反复放大，并从半反半透镜输出.下面我们就来分析一下实现相干和受激放大的原理和条件.相干：图2中A、B为相距一个磁场周期的相应的两点，电子先后经过这两点时都会辐射出电磁波，设其波长为.由于电子在A、B两点的运动情况完全相同，在这两点刚发出的电磁波应具有相同的位相，当电子从A运动到B点开始辐射时，A点发出的光已传到A'，A、B两点发的光要相干，就要B'点的光和B点刚发的光具有相同的位相，即要(n=1，2，3，…).设电子沿z方向的速度为，则有

如果电磁波向z方向发射，,则实现相干的条件为受激放大沿z方向传播的光辐射和前方的电子相互作用使电子的动能减少，光能增加.电子环形运动时产生的光辐射是偏振的，沿z方向传播的光的电矢量E应在电子轨道平面内沿x方向振动，E的表达式可写为:扭摆电子具有二方向的分速度，若光的电场正好使电子减速，则电子能量减少，光辐射的能量增加.根据能量守恒，单位时间内电场对电子所做的功和电子能量的变化应有以下关系-ev·E=，m=若v·E对时间积分的效果大于零，则电子束能量减少，辐射场受激.当电子和光辐射向z方向运动时，光辐射的电矢量沿x方向来回振动，每半个波长改变一次方向，电子速度v的x分量方向则每当电子前进也改变一次.为了保持v·E>O，当电子沿z方向穿过距离时，光辐射应比电子多走的距离，即要k=0,1,2...,若令n=2k+1=1,3,5,则得特点:(l)单色，频率可调，调谐范围宽自由电子激光是单色的相干光;波长可随电子束能量的变化而变化，而加速器输出的电子束能量可以方便地在相当大的范围内改变，频谱可从远红外跨越到X射线.而绝大多数普通激光器只能在固定的波长下工作(2)光束质量好单色性好，谱线窄;高度偏振;它的光脉冲的时间结构也非常优异，既有Ps级的短脉冲，也有几百微秒的长脉冲，脉冲的时间结构还可以根据不同需要加以改变.(3)功率高普通激光器在高功率下运行时会由于热效应使工作介质损坏，自由电子激光的工作介质是真空中的电子束，不存在热效应问题，因此功率可以很高，最高峰值功率可达GW量级.

由于自由电子激光具有上述突出的优点而被一些人称为第四代的同步辐射，它在国防、医学、固体物理、材料科学、生命科学和能源领域都有广泛的应用。

一、在医学上的应用由于人体各种组织对不同波长激光的吸收与散射参数是激光医学中的重要数据，被认为是理想的医学激光器，能够在依赖频率效应的组织和器官上找到应用——由于蛋白质在4.5um左右的波长上吸收光能最好，因而自由电子激光在激光开刀手术上具有更小的组织创伤面。二、在化学方面的应用自由电子激光不仅在现代化学基础研究上发挥重大的作用，而且在化学工业上也有重要作用。1.研究分子激发态和分子内和分子间的能量转移，探索化学反应的新途径。2.激光化学处理。3.激光同位素分离。4.用激光进行材料的化学处理，如用激光诱导表面改性等。三、在其它物理方面的应用1.远红外自由电子激光正好弥补了远红外光谱区光源和探测器的不足。非线性光谱和瞬态研究将主要受益于远红外自由电子激光脉冲，例如分子的能量传输机理等。2.亚毫米自由电子激光可应用到半导体物理学中很重要很新的热电子问题上。当热电子效应未知时，亚毫米自由电子激光可以产生并且探测其载体的瞬态行为。3.亚毫米自由电子激光很高的平均功率，使它可应用到强磁场中的等离子体加热或诊断上。4.在激光诱导原子聚变，要求波长为0.3um的短脉冲激光，输送一兆焦耳的能量到靶上，自由电子激光有能力应用到这个项目上。5.在高能物理加速器方面，自由电子激光可提供高密度加速电场，以实现新一代更高能量的加速器。四、在信息学科中的应用1.在高分辨雷达方面，毫米和红外自由电子激光是很重要的波源。2.在100公里至150公里高空处遥感诊断分子种类，自由电子激光将是非常有用的。五、在材料科学中的应用利用激光所拥有的特点制备新颖材料是近年来发展极为迅速而颇有成效的一种新方法。由于激光束可以聚焦成极小的光斑，在局部小范围内迅速加热而不影响周围材料的性质，因此可在材料表面进行优化处理。发展趋势(1)向短波方向发展由于技术上的困难，目前建成的自由电子激光器主要工作在远红外与红外区。随着技术的不断发展，特别是加速器技术上的进步，FEL将不断向短波(真紫外、软x射线)方向推动。(2)提高峰值功率及平均功率这主要是出于军事目的(比如定向能武器和军事通信)。(3)发展小型化专用装置及工业应用当前自由电子激光发展的重要方向是发展小型、紧凑、实用、经济的专用FEL装置.美国、日本等国的许多著名公司都在积极研究经济实用的专用FEL装置(4)提高功率转换效率FEL的能量转换效