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自由电子激光

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。自由电子激光的概念是John M. J. Madey [1] 于1971年在他的博士论文中首次提出的。自由电子激光是激光家族的一个新成员。

由于它的工作介质是自由电子,因此称为自由电子激光。这种激光的特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计,并且能够在大范围内连续调节,有着重要的应用前景。

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。自由电子激光的概念是John M. J. Madey [1] 于1971年在他的博士论文中首次提出的,并在1976年和他的同事们在斯坦福大学实现了远红外自由电子激光,观察到了10.6μm波长的光放大。自那以后,许多国家都开展了关于自由电子激光的理论与实验研究。

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

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高且可调、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。中国科学院高能所已于1993年制成我国第一台自由电子激光装置。

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。由加速器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辐射出电磁波。辐射的方向在以电子运动方向为中心的一个角度范围内。

由此可见,自由电子激光器的工作原理完全基于经典物理学,不同于传统激光器(如红宝石激光器)依赖于原子的受激吸收与受激辐射这一量子现象。在经典物理学中,能量是连续的,而不是离散(量子化)的。从而,自由电子激光器可以实现辐射频率的大范围连续调节。

自1960年世界上第一台激光器诞生以来,随着激光器技术的研究和发展,人们普遍希望普通激光器的功率、效率、波长调谐范围能有大幅度地提高。但对于普通的激光器来说,简直难以做到。于是,科学家们开始探索新的方法、新的途径来提高激光器的性能。早在20世纪50年代初期,就有人提出了自由电子受激辐射的设想。

1950年,有人用射频直线加速器和摆动器演示了可见波长自发辐射和微波相干辐射。1957年到1964年间,自由电子微波激射器问世,被称为“ubitron”。在5mm波长上产生150kW的峰值功率同时,人们利用高能电子在轴向磁场中的横向回旋运动产生毫米波,但一直到1974年才首次在毫米波段实现受激辐射。

1977年,美国斯坦福大学的红外波段实现受激辐射。当时研究此课题时所需的电子加速器等设备相当复杂且价格昂贵。

1978年,美国海军研究实验室在红外区也取得实验成功。20世纪70年代,自由电子激光研究还没有特别兴旺。当它重新开始升温时,分别通过受激康普顿散射和受激拉曼散射发展。1983年,法国奥赛的电磁辐射应用实验室,首次用储存环中运行的电子束获得激光效应,这台新型的自由电子激光器首次在可见光频段发出光辐射。

1984年,美国物理学家在加速器上利用电子束放大一束微波辐射,获得了高功率、高效率、波长宽调谐范围的激光。自由电子激光器潜在高输出功率、高效率特性,使它首先就被考虑用在国防上。

20世纪80年代,美国里根总统提出了战略防御倡议计划,使自由电子激光器成为美国“星球大战”计划中陆基或天基定向能武器中最有希望的候选者。这就促使了美国自由电子激光器的研究、开发取得了一系列很大的进展。激光技术的研究和开发应用是以军事武器的研究应用为先导,而逐步推广应用于民品开发生产中去的。研究和发展自由电子激光器的领域十分广阔,科学家们在许多领域内进行了大量尝试或试探性的应用研究工作。由于自由电子激光器体积庞大、造价高昂,极大地限制了其使用范围。自由电子激光器能否充分发挥其优异特性而走向实用,最终将取决于器件能否小型化。因此,国际上研究自由电子激光器的热点转向了小型化、实用化、短波长(真空紫外、软X射线)方面。美国LosAlamos实验室于1993年首次实验成功小型化的自由电子激光器(FEL)它运行在4~6txm波段,输出峰值功率10MW,光阴极电子枪的亮度高达2×10 A/m rad ,实现了高质低能(17Mev)电子束产生中红外自由电子激光。整个装置占有较小的空间,从而使FEL向小型化和实际应用迈进了一大步。另一方面,人们在小周期波荡器、虚火花放电装置及虚火花放电、高压电源的改进等几项新技术方面开展的研究都为自由电子激光器走向小型化提供了有利条件。同时,研制波长几毫米以下的微型摆动器以及激光摆动器、适于上述摆动的低能及角度色散电子束源的开发也成为研究的目标。另外,利用切伦科夫辐射和史密斯帕塞尔辐射的新型自由电子激光器,体积也大大缩小。

20世纪90年代初期,自由电子激光器的平均功率就已达11W。为进一步提高自由电子激光的输出功率和效率并进一步缩短波长,特别是探索更有效的短波长(紫外及X射线)自由电子激光的机理,人们对各种与等离子体有关的“非常规”自由电子激光器进行了研究,并迅速成为自由电子激光研究领域内的热点之一。如等离子体波Wiggler自由电子激光,以等离子体为背景的静磁Wiggler自由电子激光和离子通道激光。

1994年10月,日本关西学术文化研究都市津田的自由电子激光研究所制成了兆瓦量级的自由电子激光实用装置。这归功于花了二、三十年研究成功的电子直线加速器、微波源和超高真空等基础技术。开发远紫外自由电子激光器需要大电流的贮存环,长寿命的电子枪以及10Pa的超高真空等技术。以自放大自发辐射为基础的单程自由电子激光器提供了另一种向真空紫外和X射线激光推进的路线,这种自由电子激光器可能提供极强的偏振超脉冲类激光辐射。除了它们的高峰值亮度和高平均亮度外,电子能量的可调谐性使得这种自由电子激光器成为真空紫外和X射线辐射无可匹敌的光源。

本世纪初,德国汉堡研究人员报告了德国电子同步加速器的真空紫外激光器已产生80~120nm可调谐、吉瓦级功率、30~100fs脉冲,其峰值亮度比目前第三代同步辐射源高8个数量级。2003年开始进行6nm自由电子激光器的研究工作。

人们在成功地建造出真空紫外波段的自放大自发辐射自由电子激光器后,研究人员把目光放在产生0.1nm最小波长的X射线自由电子激光器上。德国汉堡电子对撞中心(DESY)的科学家研制出了相当于1000万倍自然光强度的X射线激光器。这种自由电子激光器达到了理论上的最大功率。在紫外线照射时,其功率比其它光源要强千倍。这台自由电子激光器长约30m,波长范围在80~180nm之间。据俄罗斯“劳动报”报道,西伯利亚科学家成功地制造出一台世界上独一无二的输出功率和频率均可调的自由电子激光器。这台自由电子激光器高达百米,功率可调范围为10~100kW,波长的变化范围为2~30lxm,该激光器的方向性极强,光束射到月球表面时,光斑直径不超过30cm。

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,它可应用于物质提纯、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8~20Van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、激光加速器等。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,以及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1~101am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。

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0.86tun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。

(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 目前,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 目前,FEL的能量转换效率还很低(10%~20% ),因此,无论从科学实验、工业应用还是军事目的,都有待于提高总功率转换效率。最新研究表明,将射出的无用电子束送人减速装置回收其能量,回收率可达95% 。自由电子激光从出现至今刚刚经历了20个年头,尚处于发展的初期阶段,技术还不成熟,但FEL性能上无可比拟的优点,越来越引起科学界、军事界、医学界的高度重视。已成为科学技术领域最活跃的领域之一。


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