自由电子激光幻灯片.pdf

前 沿 自由电子激光 ◎姜伯承 邓海啸 人类对于激光 的追求似乎永无止境 。 期存在一种共振关系 ，波荡器各周期上产生 的辐射是 1958年 美 国科 学 家 肖洛 (A．L．Schawlow)和 汤 斯 相干 的 ，辐射光振 幅相干 叠加 ，造成辐射 能量平方 (群 (C．H．Townes)发现 了激光原理 ．进而导致 了激光器 的 聚 电子数平方)增长 。这样产生 的光和传 统 的激光是相 诞生 ，经过半个 多世 纪 的发展 ，已经 出现 了固体激光 似 的．但产生过程 中没有传统意义上 的介质 ，不需要实 器 、气体激光器 、液体激光器 、半 导体激光器等各种类 现粒子数反转 ，因此 ，这种激光不依赖于受激辐射 ，电 型 的激光器 。这些激光器 的共 同特点是 ，通过将介质 中 子可 以在磁场 中 自由移动 ，被称为 自由电子激光 。 的电子泵浦到较高能级 的亚稳态 ，在受激辐射下 ，介质 自由 电子激 光 器 (freeelectronlaser。FEL)于 1976 中的电子 向低能级跃迁 ，产生相干辐射 。其辐射波长 由 年 由斯坦福大学 的马迪 (JohnMadey)首先发 明。此后 跃迁能级决定 。 引起各 国注意 ，并纷纷跟进研制 。截至 2010年全球共 激 光器 的发 明极 大地 促进 了生 产力 的发 展 。小 到 有 43台 自由电子激光器 ，另有 20台在建或计划建造 。 激光笔 、数字多功能光碟 (DVD)，大到实验室里拍 瓦数 量 级 (10 瓦 )的激光 器 ，激 光 已经 在生 产 、生 活 和科 学 研 究 中得 到广泛 的应 用 。 什 么是 自由电-y-激 光 自由电子激光是 由电子加速器产生 的相对论性 (接近光速 )电子束 团在周期性磁场 中振荡产生 的相干 辐射 。产生这个周期性磁场 的是波荡器 ．它 由极性相反 自由电子激光原理圈 电子束经过波 荡器后产 生相 干辐射 。 的磁铁周期性排列而成 。波荡器产生 的磁场垂直于 电 子 运动 方 向 ．电子在 通过 波荡器 的磁 场时会 做 弯转 运 与传 统激光器相 比，自由电子激光器造价要 昂贵 动 ，由于磁场方 向周期性变化 ，电子就会在波荡器 中周 得多 ，规模 也大得 多 ．最小 的 自由电子激光器也要几十 期性扭摆 。电子在 弯转轨道上运动时会产生 同步辐射 ． 米长 。但 是 自由电子激光具有一系列 的优 点 ，例如 ，辐 这些辐射反过来和 电子相互作用 ．使得 电子束 团密度 射频率可调 、不受 电子跃迁能级 限制 ，频谱 范 围广 ，峰 在运动 中得到重新分布 ，称之为群 聚 。群 聚后 的 电子束 值功率和平均功率大 、且可调 ，相干性好 ，偏振 强 ，具有 团产生 的辐射波长和 引起群 聚 的同步辐射波长一致 ． 短脉冲时间结构、且时间结构可控 ，等等 。正是这些特 因此 引起群 聚 的初始辐射光被放大 。如此往返直至饱 性推动着这一 “昂贵 ”的事业一直 向前发展 。 和输 出 。 X射线 自由电-7：激光器 南于产生群 聚 的机理会使辐射波长和波荡器 的周 目前 ，自由电子激光 的主要发展方 向是短波长 ，这 姜伯承 ，副研究员 ，上海光源加速器物理组组长 ；邓海 啸，助理研究 里 的短波长是指深紫外 、软 X射线和硬 X射线波段 。 员 ：中国科学 院上海应用物理研究所 ，上海 201800。