自由电子激光器详解.pptx

——FEL(自由电子激光器)激光原理简介：自由电子激光器（FEL），所产生激光束的光学性质与传统激光器一样，具有高度相干、高能量的特点，其不同点在于其特殊的光源产生机制。传统利用气体、液体或固体（如半导体激光器）作为激光介质的激光器，其激光产生会使原本处于束缚态的原子或分子受到激发；对于FEL，激光产生则依靠将在磁场中运动的相对论电子束的动能转换为光子能量。由于电子束可以在磁场中自由移动，故命名为“自由电子激光器”。激光产生过程中没有传统意义上的介质，没有能记得局限，因而不需要实现粒子数反转，因此，这种激光不依赖于受激发射。自由电子激光器的核心是电子源（通常是粒子加速器）与相互作用区（把电子动能转换为光子能量）。自由电子激光器-基本介绍第一台自由电子激光振荡器：自由电子激光器实验装置：自由电子激光器工作原理高速运动自由电子在波荡器的周期磁场中受到外加电磁波电磁场的作用，在水平方向上受到调制而产生电子束的非对称分布，在该分部下的电子束与外加电磁波之间的能量交换过程中，损失的能量多于吸收来实现受激光放大。自由电子激光与普通激光器组成的异同：普通激光器自由电子激光器泵浦源根据工作物质不同可有光能电能化学能原子能摆动器（波荡器）工作物质气体、液体或固体（如半导体激光器）等激光介质电子加速器加速电子谐振腔光学谐振腔光学谐振腔波荡器（摆动器）作用：普通激光器中的泵浦源，在洛伦兹力的作用下，高速电子束作轨迹近似于正弦波的运动，同时辐射电磁波加速器作用：产生高速电子束种类：一般有静电加速器直线加速器回旋加速器 谐振腔作用：对螺旋磁场的相互作用区提供反馈，并设法将高能电子束引进作用区域的光轴上，并传播光辐射结构：螺线圈套在真空的铜管上自由电子产生激光的工作原理和条件工作原理电磁场理论量理论子（相对论电子）条件相干光受激放大有质动力与电子束群聚相干光平面型波荡器摇摆磁场 电子的运动方程自发辐射波束长度受激放大一个电子与激光电场间的能量交换由如下方程确定只有满足共振关系式，相对论电子在波荡器中和激光交换能量，并使激光得到放大有质动力与电子束集群自由电子激光基本物理过程的方程式；损失能量的电于数目略多于获得能量的电子数目，从而使激光能量得到放大。定义失谐参数在小信号激光近似下增益公式自由电子激光器的特点与应用1自由电子激光器是将高能电子束的能量转换为激光，没有固定能级限制因而可获得的激光辐射的波长范围很广自由电子激光地频谱可以远红外跨越到硬X射线，而绝大多数激光器只能在固定地波长下工作自由电子激光器的特点与应用2特点：自由电子激光器可获得极高的输出功率，没有作为基质的工作物质，就没有工作物质内部热损耗，工作物质损伤等限制美国利弗莫尔国家实验室于1986年在FEL装置上获得了1GW的峰值激光功率，最高曾达到1.7GW的峰值功率，电子束的能量转化成激光的效率达到了43％自由电子激光器的特点与应用3理论效率很高可达50%以上。原因是电子激光器直接将电子动能变为电子磁辐射，没有普通激光器的中间能量转换环节。尽管在摇摆器内一次相互作用过程中，电子束能量转换为激光的效率不高，但是从摇摆器出来的电子束能量可以回收，从而可以达到提高效率的目的。自由电子激光器的特点与应用4自由电子激光器的工作物质没有衰变问题，理论上，工作寿命不受限制。应用领域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Thankyou参考资料：激光原理技术与应用（哈工大版）