自由电子激光及其发展情况介绍

zeng57 · 发表于 2013-7-29 14:05:22

在电子激光器一种运用自在电子的受激辐射，把相对论电子束的能量变换成相干辐射的激光器材。自在电子受激辐射的想象曾于1951年由Motz提出，并在1953年进行过试验，因受其时条件的约束，未能得到证明。1974年斯坦福大学的Madey等人从头提出了安稳横向周期磁场中的场致受激辐射理论，并初次在毫米波段完结了受激辐射；1976年Madey小组初次完结了激光扩大，1977年4月斯坦福大学Deacon等人才研发成第一台自在电子激光振动器。

　　激光是二十世纪最巨大的创造之一，自在电子激光是激光宗族的一个新成员。因为它的作业介质是自在电子，因而称为自在电子激光，这种激光的特色是激光波长和脉冲布局能够依据需求进行描绘，而且能够在大规划内接连调理，有着重要的运用远景。

　　自在电子激光是运用自在电子为作业媒质发作的强相干辐射，它的发作机理不同于原子内束缚电子的受激辐射。自在电子激光的概念是J.Maday于1971年在他的博士论文中初次提出的，并在1976年和他的搭档们在斯坦福大学完结了远红外自在电子激光，调查到了10.6μm波长的光扩大。自那今后，许多国家都展开了关于自在电子激光的理论与试验研讨。

　　自在电子激光的基本原理是经过自在电子和辐射的相互效果，电子将能量转送给辐射而使辐射强度增大。

　　自在电子激光具有一系列已有激光光源无法代替的长处。例如，频率接连可调，频谱规划广，峰值功率和均匀功率大，且可调，相干性好，偏振强，具有ps量级脉冲的时刻布局，且时刻布局可控，等等。

　　自在电子激光的展开布景

　　运用电子发作相干辐射，是科技范畴长时刻讨论的课题。从二次世界大战时期展开起来的微波管，如磁控管、速调管、行波管等等，都能够发作相干电磁辐射，而且一直在向短波长、高功率的方向推进。但它们受布局尺度的约束，很难将波长缩短到光波波段。60时代创造的惯例激光依据原子、分子的能级越迁的原理，是相干光源的划时代的展开，它推进了人类的科学研讨和出产活动，做出了极为重要的奉献。但它通常说来不方便调变波长，而且功率受作业物质发热的约束。同步辐射运用电子作圆周运动而发作接连谱的辐射，但广谱辐射经分光后，单色强度却大受约束，而且对错相干光。同步辐射设备几十年中阅历了三代的展开，因为它有广泛的运用，世界上兼用和专用的设备已有70余台，总投资估量逾10亿美元。为了非常好地满意运用的需求，它正在向更短脉冲、非常好相干性、更高耀度的第四代展开。下面行将介绍的自在电子激光（今后简称FEL），正是具有这些特征的簇新的光源，所以FEL也被称为第四代同步辐射。

　　在光波规划作业的FEL大都运用射频电子直线加快器供给电子来历。它的作业原理可简述如下。由加快器发作的高能电子经偏转磁铁写入到极性替换改换的扭摆磁铁中。电子因做扭摆运动而发作电磁辐射（光脉冲），光脉冲经下流及上游两反射镜反射而与今后的电子束团重复发作效果。成果是电子沿运动方向群聚成尺度小于光波波长的细小的束团。这些微束团将它们的动能变换为光场的能量，使光场振幅增大。这个进程重复屡次，直到光强到达饱满。效果后的电子则经下流的偏转磁铁偏转到体系之外。以上是FEL发作进程的对比形象的描绘。从物理学视点看，这个进程即是电子对辐射的受激康普顿散射的成果。这里一个最为要害的环节是电子要聚集成许多短于光波波长的束团。因为，只要这样它的辐射才是相干的，而FEL的技能难度，恰恰也正在于此。电子束功能有必要非常优胜（能量涣散小，方向涣散小，时刻安稳度高……），一起流强尽能够大，才干到达需求，明显，FEL作业波长愈短，技能难度也就愈大。

自在电子激光的原理

　　自在电子激光的物理原理是运用经过周期性摇晃磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互效果，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。运用这一基本思想而描绘的激光器称为自在电子激光器(简称FEL)。如图1所示，一组扭摆磁铁能够沿z轴方向发作周期性改动的磁场．磁场的方向沿Y轴。由加快器供给的高速电子束经偏转磁铁D导入摇晃磁场。因为磁场的效果．电子的轨道将发作偏转而沿着正弦曲线运动，其运动周期与摇晃磁场的一样。这些电子在XOZ面内摇晃行进．沿x方向有一加快度。因而将在行进的方向上自发地发射电磁波。辐射的方向在以电子运动方向为中间的一个视点规划内。

　　自在电子激光的特色

　　激光是二十世纪最巨大的创造之一，自在电子激光是激光宗族的一个新成员。因为它的作业介质是自在电子，因而称为自在电子激光，这种激光的特色是激光波长和脉冲布局能够依据需求进行描绘，而且能够在大规划内接连调理，有着重要的运用远景。

　　自在电子激光是加快器发作的高能自在电子束经过周期性改动的磁场发作的激光输出，这种激光的亮度非常高，经过改动电子能量、磁场周期和强度能够改动激光波长。

自在电子激光器通常由电子束写入器(电子加快器)、横向磁场重量沿轴向周期改动的磁场、光学谐振腔等3有些组成，依据作业机理的不同，自在电子激光器大体分为康普顿型和拉曼型，前者写入的电子束能量较高，流强较弱，后者能量较低，流强较强，其光的受激辐射首要靠电荷密度波。

　　开端研讨标明，自在电子激光具有一系列已有的其他光源无法代替的长处：

　　1、作业频率接连可调，其频谱能够从远红外到硬x射线；

　　2、峰值功率和均匀功率高且可调；

　　3、相干性好且高度偏振；

　　4、具有Ps脉冲的时刻布局，且时刻布局可控等。

　　自在电子激光的展开

　　自1960年世界上第一台激光器诞生以来，跟着激光器技能的研讨和展开，大家遍及期望通常激光器的功率、功率、和波长调谐规划能有大幅度地前进，但关于通常的激光器来说，几乎难于作到，所以科学家们开端探究新的办法，新的路径来前进激光器的功能．早在20世纪50时代前期，就有人提出了自在电子受激辐射的想象。

　　1950年，有人用射频直线加快器和摇晃器演示了可见波长自发辐射和微波相干辐射．1957年到1964年问，自在电子微波激射器面世，称为"ubitron"，在5mm 波长上发作150KW 的峰值功率．一起，大家运用高能电子在轴向磁场中的横向回旋运动发作毫米波，但一直到1974年才初次在毫米波段完结受激辐射。

　　1977年，美国斯坦福大学的红外波段完结受激辐射。其时研讨此课题时所需的电子加快器等设备适当杂乱且报价昂贵。

　　1978年，美国海军研讨试验室在红外区也取得试验成功。20世纪70时代，自在电子激光研讨还不怎样兴隆。当它从头开端升温时，别离经过受激康普顿散射和受激拉曼散射展开。1983年，法国奥赛的电磁辐射运用试验室，初次用储存环中作业的电子束取得激光效应，这台新式的自在电子激光器初次在可见光频段发射光子。

　　1984年，美国物理学家在加快器上运用电子束扩大一束微波辐射，取得了高功率、高功率、波长宽调谐规划的激光。自在电子激光器潜在高输出功率、高功率特性，使它首要就被思考用在国防上。

　20世纪80时代，美国里根总统提出了战略防御建议计划，使自在电子激光器变成美国"星球大战"计划中陆基或天基定向能兵器中最有期望的候选者。这就促进了美国自在电子激光器的研讨、开发取得了一系列很大的展开。激光技能的研讨和开发运用是以军事兵器的研讨运用为先导，而逐步推广运用于民品开发作产中去的．研讨和展开自在电子激光器的范畴非常宽广，科学家们在许多范畴内进行了许多测验或试探性的运用研讨作业。因为自在电子激光器体积巨大，造价昂扬，极大地约束了其运用规划。自在电子激光器能否充分发挥其优良特性而走向有用，最终将取决于器材能否小型化。因而，国际上研讨自在电子激光器的热门转向了小型化、有用化、短波长(真空紫外、软x射线)方面。美国LosAlamos试验室于1993年初次试验成功小型化的自在电子激光器(FEL)。它作业在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 ，完结了高质低能(17Mev)电子束发作中红外自在电子激光。整个设备占有较小的空间，从而使FEL向小型化和实践运用迈进了一大步。另一方面，大家在小周期波荡器、虚火花放电设备及虚火花放电、高压电源的改善等几项新技能方面展开的研讨都为自在电子激光器走向小型化供给了有利条件。一起，研发波长几毫米以下的微型摇晃器以及激光摇晃器、适于上述摇晃的低能及视点色散电子束源的开发也变成研讨的方针．别的，运用切伦科夫辐射和史密斯·帕塞尔辐射的新式自在电子激光器，体积也大大减小。

　　2O世纪9O时代前期，自在电子激光器的均匀功率就已达11W．为进一步前进自在电子激光的输出功率和功率并进一步缩短波长，格外是探究更有用的短波长(紫外及x射线)自在电子激光的机理，大家对各种与等离子体有关的"非惯例"自在电子激光器进行了研讨，并敏捷变成自在电子激光研讨范畴内的热门之一。如等离子体波Wiggler自在电子激光，以等离子体为布景的静磁Wiggler自在电子激光和离子通道激光。

　　1994年10月，日本关西学术文明研讨都市津田的自在电子激光研讨所制成了兆瓦量级的自在电子激光有用设备。这归功于花了二、三十年研讨成功的电子直线加快器、微波源和超高真空等根底技能。开发远紫外自在电子激光器需求大电流的储存环，长寿命的电子枪以及lO Pa的超高真空等技能。以自扩大自发辐射为根底的单程自在电子激光器供给了另一种向真空紫外和x射线激光推进的道路，这种自在电子激光器能够供给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均匀亮度外，电子能量的可调谐性使得这种自在电子激光器变成真空紫外和x射线辐射无可对抗的光源。

　　本世纪初，德国汉堡研讨人员报告了德国电子同步加快器的真空紫外激光器已发作8O～120nm可调谐，吉瓦级功率，30～100fs脉冲，其峰值亮度比当前第三代同步辐射源高8个数量级。2003年开端进行6nm 自在电子激光器的研讨作业。

　　大家在成功地建造出真空紫外波段的自扩大自发辐射自在电子激光器后，研讨人员把目光放在发作0．1nm最小波长的x射线自在电子激光器上。德国汉堡电子对撞中间(DESY)的科学家研宣布了适当于1000万倍自然光强度的x射线激光器。这种自在电子激光器到达了理论上的最大功率。在紫外线照耀时，其功率比其它光源要强千倍。这台自在电子激光器长约3O米，波长规划在8O到180纳米之间。据俄罗斯"劳作报"报导，西伯利亚科学家成功地制造出一台世界上绝无仅有的输出功率和频率均可调的自在电子激光器。这台自在电子激光器高达百米，功率可调规划为lO～100千瓦，波长的改动规划为2～30lxm，该激光器的方向性极强，光束射到月球外表时，光斑直径不超越3O公分。

　自在电子激光的运用

　　因为自在电子激光器具有许多通常激光器望尘莫及的长处，所以自在电子激光器面世后不久，科学家们就开端着手于研讨它的运用疑问．自在电子激光格外适合于研讨光与原子、分子和凝固态物质的相互效果，这类研讨涉及到固体外表物理、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、资料、动力、通讯、国防和技能科学等多个方面。原子核工程是自在电子激光器运用最有出路的范畴之一，自在电子激光器在此运用上的最大长处是高功率、宽可调光谱规划，以及准接连作业特色。因而，可运用于物质提纯、受控核聚变、铀、钆、硼、锶和钛等元素的同位素别离和等离子体加热等。

　　自在电子激光器的高功率、短脉冲及波长可调的长处，在工业上也有宽广的运用远景。例如在半导体技能中的薄膜堆积、平板印刷术、蚀刻、掺杂质等，自在电子激光器格外合适大批量资料处置，因为它的波长可调谐，器材又可扩大到能输出高均匀功率。用于资料处置时，需求功率为1～5KW，波长为8～20Van的自在电子激光器。自在电子激光器还可进行各种化学分析与丈量，能够出产高纯硅晶体、满意计算机出产的需求．集成电路安装，包含量子处置和光刻可更多地凭借短波自在电子激光器。别的，自在电子激光器还用在激光加工、光CVD等方面的资料，制造x射线激光器、激光加快器等。自在电子激光器还用在原子、分子的根底研讨上，光化学可依靠作业在紫外到远紫外区的自在电子激光器。自在电子激光的可调谐性和超短脉冲特性，使得探究化学反应进程、生化进程的动态进程变成能够。这对研讨物质的布局和功能对生成新物质的研讨，将会发作革命性的革新和新的展开也是自在电子激光器运用最丰厚的范畴，而当前燃眉之急是研发紧凑、有用的小型自在电子激光器，其首要意图是把报价降到大医院能买得起的水平。对医学研讨和医治而言，这种激光器可在1-101am波段可调，输出功率不超越几百瓦，此种运用通常需求有几瓦均匀功率。

　　自在电子激光器能够为空间站运送能量，以降低空间站对太阳能电池的依靠性。用于向卫星传输功率时，需求功率为100KW一1MW，波长为0．86tun的自在电子激光器。

　在军事上，自在电子激光器能够变成强激光兵器，是反洲际导弹的激光兵器的首要潜在手法之一。自在电子激光器功率尽管强壮，但因为其体积巨大，因而当前只适合安装在地面上，供陆基激光器运用。在毫米波段，自在电子激光器是仅有有用的强相干信号源，在毫米波激光雷达、反隐形军事方针和激光致盲等研讨中具有不行代替的重要运用价值。

　　自在电子激光展开趋势

　　(1)向短波方向展开因为技能上的艰难，当前建成的自在电子激光器首要作业在远红外与红外区。跟着技能的不断展开，格外是加快器技能上的前进，FEL将不断向短波(真紫外、软x射线)方向推进。

　　(2)前进峰值功率及均匀功率这首要是出于军事意图(比方定向能兵器和军事通讯)。

　(3)展开小型化专用设备及工业运用当前，美国、日本等国的许多闻名公司都在活泼研讨经济有用的专用FEL设备。

　　(4)前进功率变换功率当前，FEL的能量变换功率还很低(10％一20％ )，因而，无论从科学试验、工业运用仍是军事意图，都亟待前进总功率变换功率。最新研讨标明，将射出的无用电子束送人减速设备收回其能量，收回率可达95％。自在电子激光从呈现至今刚刚阅历了20个年初，尚处于展开的前期期间，技能还不老练，但FEL功能上无与伦比的长处，越来越导致科学界、军事界、医学界的高度重视。已变成科学技能范畴最活泼的范畴之一。

　　美国托马斯杰斐逊国家加快器设备TJNAF（Thomas Jefferson National Accelerator Facility），俗称杰斐逊试验室（Jefferson Lab）或JLab。JLab坐落美国弗吉尼亚州纽波特纽斯（Newport News），是美国动力部科学局部属的国家试验室。

　　JLab的自在电子激光器是一个亚皮秒光源，掩盖规划从250纳米的紫外至14微米中红外可调谐，脉冲能量达300 mJ，重复频率达75 MHz。并非一切的参数都可一起满意，但10 kW的均匀功率已在红外被证明。

　　JLab的自在电子激光器依据一种称为能量收回型的直线加快器。电子从左下方的源开释，而且在超导直线加快器中加快。从这个直线加快器呈现后，电子经过一个在其中间有扭摆磁铁的激光腔。这个扭摆磁铁导致电子振动，宣布光，该光在腔内被捕获，用来诱导电子放射出更多的光。退出光学腔后，电子然后沿着顶部回路回到直线加快器。在这里，它们将自个的大有些能量给到新一批的电子，使该进程高度有用。

　该激光器始于1 kW的自在电子激光器演示计划，1999年8月完结调试，2001年停止运用。1999年10月，2000年2月、7月和10月，2001年2月、6月、8月和10月，作为用户设备作业，为大概30个组供给用户束流约3000小时。

　　在预备将晋级到10 kW的功率水平前，该激光器到达了两倍于描绘水平的2.1 kW的功率输出。2004年7月21日，在6微米的波长取得了10 kW的接连光。2006年10月30日在1.6微米取得14.2 kW的接连光。因为在红外线波段得到如此高的输出功率，波长越短就越艰难。因而这是一个很大的成功，取决于极具立异的描绘，克服了在到达如此高的功率的进程中遇到的种种艰难。因为开始证明原理的光源才能超越既定的传统光源的才能，所以开始的试验发作了100篇论文，登载在重要期刊上。

计划将自在电子激光在紫外线拓展为250纳米。电子的短脉冲还发作几百瓦的宽带太赫兹光，这种光在一个特别的用户试验室供给。

　JLab自在电子激光器掩盖了从紫外线250纳米至中红外14微米规划，脉冲能量高达300微焦耳，重复率高达75兆赫。并非一切的参数都能够一起满意，但在均匀超越10千瓦的功率已在红外得到证明。

　　自在电子激光器的改善能够使其在更广的波长规划内作业，即从紫外0.25微米到15 微米，均匀功率高到10000瓦，可调性更快。

　添加两个超导直线加快器部件，改善后的设备能量从 40 MeV 前进到160 MeV，束流的均匀电流从 5 mA前进到 10 mA，经过选用光学速调管，使引出功率前进2倍。紫外线区，将选用独自的光学腔体和扭摆磁铁。

　　2010年8月19日，紫外自在电子激光器取得第一个700纳米的激光波长，并敏捷到达了100 W的功率水平。随后，在2010年8月31日，激光波长到达400纳米，当天晚些时候降到363纳米。

　　2010年12月9日，紫外自在电子激光器初次成功发作10 eV的光子。作业在基波370纳米的紫外演示自在电子激光器上的孔耦合输出镜将真空紫外谐波光传送到校准的真空紫外二极管。对每10eV微脉冲中5纳米焦耳彻底相干光（39光子）进行丈量，约占基波动力的0.1％，契合预期。至12月底，波长到达124纳米。

　　这项研讨奇观将为许多曾经无法进行的研讨翻开一扇大门。例如，能够用来测定物质的年纪，这些物质存在的时刻能够超出了碳元素时代测定法能够测定的时代。放射性碳测定法使科学家能预算许多年纪超越6.2万岁的物质的时代。放射性氪测定法使科学家能测定10万到100万年前的物质，而从自在电子激光器宣布的这种10 eV的光能够发作亚安稳的氪原子。别的，这种办法有助于研讨海洋环流形式，而且制作出地下水的运动状况，一起测算极地冰的时代。

　　2011年2月28日，自在电子激光器的紫外光从楼上被引到试验室的光传输体系，初次进入用户试验室4。从2011年3月1日起，把真空紫外光送到用户试验室1用于表征和以备将来之用。

　JLab首先开发运用电子束展开核物理研讨的超导技能，如今也服务于运用光进行科学研讨：生物、医学、化学、环境科学、资料科学、凝聚态物理和纳米技能。

　　一项极富应战的计划现已到位，行将自在电子激光的脉冲缩短到阿秒规划，以满意波长可彻底调的器材中的时刻前沿和高磁场。晋级后的自在电子激光也将包含kW规划的紫外线才能。

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光粒网-Kelly · 发表于 2013-7-29 16:05:31

光粒网-Kelly · 发表于 2013-7-29 16:18:20

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