自由電子雷射器

自由電子雷射器(FEL)是一類不同於傳統雷射器的新型高功率相干輻射光源.雖然傳統的雷射器具有極好的單色性和相干性, 但它的低功率、低效率、固定頻率和光束質量差的弱點, 使它大大遜色於自由電子雷射器.自由電子雷射器不需要氣體、液體或固體作為工作物質, 而是將高能電子束的動能直接轉換成相干輻射能.因此, 也可以認為自由電子雷射器的工作物質就是自由電子。

簡介

自由電子雷射器是一種新型的強相干輻射源。由於它可能具有高功率、高效率、波長的大範圍調諧和超短脈衝的時間結構等一系列優良特性而受到人們的格外重視。目前, 除自由電子雷射器之外, 還沒有一種雷射器能同時具備這些特點。這是因為它產生雷射的原理與以往的雷射器有本質上的不同。自由電子雷射器是利用相對論電子束通過周期磁場將電子束的動能轉換為輻射能。

自由電子雷射器是七十年代中期以來發展起來的一類新型雷射器。它將電子束動能轉變成雷射輻射, 代表了一種全新的產生相干輻射的概念。自由電子雷射器一般由電子加速器、擺動器和光學系統幾個部分構成。加速器產生的高能電子束, 通過擺動器內沿長度方向交替變化的磁場時, 產生橫向擺動, 並以光子的形式損失一部分能量。這部分能量轉變成雷射輻射, 通過光學系統輸出。

自由電子受激輻射的構想曾於1950年由Motz提出，並在1953年進行過實驗，因受當時條件的限制，未能得到證實。1971年史丹福大學的Madey等人重新提出了恆定橫向周期磁場中的場致受激輻射理論，並首次在毫米波段實現了受激輻射；1976年Madey小組第一次實現了雷射放大，1977年4月史丹福大學Deacon等人才研製成第一台自由電子雷射振盪器。它由一根抽成真空的長5.2米的銅管組成，外面繞有超導導線，以便在整個管上產生一個周期為3.2厘米的變化的橫向靜磁場（如圖），軸上磁感應強度B_0為0.24特斯拉。銅管兩端裝有反射鏡組成諧振腔，腔長12.7米，輸出鏡面的反射率為1.5%，能散度小於3\times10^{-3}的43.5兆電子伏的電子束由超導加速器產生。

工作原理

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自由電子雷射的物理原理是利用通過周期性擺動磁場的高速電子束和光輻射場之間的相互作用，使電子的動能傳遞給光輻射而使其輻射強度增大。利用這一基本思想而設計的雷射器稱為自由電子雷射器(簡稱FEL)。如圖1所示，一組扭擺磁鐵可以沿z軸方向產生周期性變化的磁場．磁場的方向沿Y軸。由加速器提供的高速電子束經偏轉磁鐵D導入擺動磁場。由於磁場的作用．電子的軌跡將發生偏轉而沿著正弦曲線運動，其運動周期與擺動磁場的相同。這些電子在XOZ面內搖擺前進．沿x方向有一加速度．因而將在前進的方向上自發地發射電磁波。輻射的方向在以電子運動方向為中心的一個角度範圍內。

它的工作原理可簡述如下。由加速器產生的高能電子經偏轉磁鐵注入到極性交替變換的扭擺磁鐵中。電子因做扭擺運動而產生電磁輻射（光脈衝），光脈衝經下游及上游兩反射鏡反射而與以後的電子束團反覆發生作用。結果是電子沿運動方向群聚成尺寸小於光波波長的微小的束團。這些微束團將它們的動能轉換為光場的能量，使光場振幅增大。這個過程重複多次，直到光強達到飽和。作用後的電子則經下游的偏轉磁鐵偏轉到系統之外。以上是FEL產生過程的比較形象的描述。從物理學角度看，這個過程就是電子對輻射的受激康普頓散射的結果。這裡一個最為關鍵的環節是電子要聚集成許多短於光波波長的束團。因為，只有這樣它的輻射才是相干的，而FEL的技術難度，恰恰也正在於此。電子束性能必須十分優越（能量分散小，方向分散小，時間穩定度高……），同時流強儘可能大，才能達到要求，顯然，FEL工作波長愈短，技術難度也就愈大。

通過穩定的電子束來泵浦，配置電子貯存環讓電子束再加速並再循環使用，用靜電方法或逆向運轉的射頻線性加速器使電子減速以充分利用出射電子束的剩餘能量，使用上述任何一種方法都可以進一步增大總體效率。自由電子雷射器輸出的雷射波長\lambda _s與電子的能量E有關：\lambda _s \sim 1/E^2，故改變電子束的加速電壓就可以改變雷射波長，這叫做電壓調諧，其調諧範圍很寬，原則上可以在任意波長上運轉。在現有的電子槍和加速器的實驗條件下，可以獲得從毫米波到1000Å的光頻波段範圍內的連續調諧的相干輻射。自由電子雷射器的輸出功率與電子束的能量、電流密度以及磁感應強度B_0有關，它可望成為一種高平均功率、高效率（理論極限達40%）、高解析度的具有穩定功率和頻率輸出的雷射器件，採用它能夠避免某些工藝上的麻煩（如雷射工作物質稀缺、有毒或腐蝕金屬、玻璃），另外，它基本上不存在使用壽命問題。

自由電子雷射器的套用

由於自由電子雷射器具有許多一般雷射器望塵莫及的優點, 所以自由電子雷射器問世後不久,科學家們就開始著手於研究它的套用問題.自由電子雷射特別適宜於研究光與原子、分子和凝固態物質的相互作用, 這類研究涉及到固體表面物理、半導體物理、超導體、凝聚態物理、化學、光譜學、非線性光學、生物學、醫學、材料、能源、通信、國防和技術科學等多個方面.原子核工程是自由電子雷射器套用最有前途的領域之一, 自由電子雷射器在此套用上的最大優點是高功率、寬可調光譜範圍, 以及準連續運轉特點.因此, 可套用於物質提純、受控核聚變、鈾、釓、硼、鍶和鈦等元素的同位素分離和電漿加熱等.

自由電子雷射器的高效率、短脈衝及波長可調的優點, 在工業上也有廣闊的套用前景.例如在半導體工藝中的薄膜沉積、平板印刷術、蝕刻、摻雜質等, 自由電子雷射器特別適合大批量材料處理, 因為它的波長可調諧, 器件又可放大到能輸出高平均功率.用於材料處理時, 要求功率為1 ～5KW, 波長為8 ～ 20μm的自由電子雷射器.自由電子雷射器還可進行各種化學分析與測量, 可以生產高純矽晶體、滿足計算機生產的需要.積體電路裝配, 包括量子處理和光刻可更多地藉助短波自由電子雷射器.另外, 自由電子雷射器還用在雷射加工、光CVD等方面的材料, 製作X射線雷射器、雷射加速器等.

自由電子雷射器還用在原子、分子的基礎研究上, 光化學可依賴工作在紫外到遠紫外區的自由電子雷射器.自由電子雷射的可調諧性和超短脈衝特性, 使得探索化學反應過程、生化過程的動態過程成為可能.這對研究物質的結構和性能對生成新物質的研究, 將會產生革命性的變革和新的進展.

醫學也是自由電子雷射器套用最豐富的領域, 而目前當務之急是研製緊湊、實用的小型自由電子雷射器, 其主要目的是把價格降到大醫院能買得起的水平.對醫學研究和治療而言, 這種雷射器可在1 ～ 10μm波段可調, 輸出功率不超過幾百瓦, 此種套用一般要求有幾瓦平均功率.更可觀的是自由電子雷射器可以為空間站輸送能量, 以降低空間站對太陽能電池的依賴性.用於向衛星傳輸功率時, 要求功率為100KW ～ 1MW,波長為0.86μm的自由電子雷射器.在軍事上, 自由電子雷射器可以成為強雷射武器, 是反洲際飛彈的雷射武器的主要潛在手段之一.自由電子雷射器功率雖然強大, 但由於其體積龐大, 因此目前只適宜安裝在地面上, 供陸基雷射器使用.在毫米波段, 自由電子雷射器是唯一有效的強相干信號源, 在毫米波雷射雷達、反隱形軍事目標和雷射致盲等研究中具有不可替代的重要套用價值.

發展前景

自由電子雷射器在短波長、大功率、高效率和波長可調節這四大主攻方向上，為雷射學科的研究開闢了一條新途徑，它可望用於對凝聚態物理學、材料特徵、雷射武器、雷射反飛彈、雷達、雷射聚變、電漿診斷、表面特性、非線性以及瞬態現象的研究，在通訊、雷射推進器、光譜學、雷射分子化學、光化學、同位素分離、遙感等領域，它套用的前景也很可觀。