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激光前沿--详解自由电子激光技术

导读: 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。

  激光是二十世纪最伟大的发明之一,自由电子激光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J.Maday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大,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。

  自由电子激光的发展背景

  使用电子产生相干辐射,是科技领域长期探讨的课题。从二次世界大战时期发展起来的微波管,如磁控管、速调管、行波管等等,都可以产生相干电磁辐射,并且一直在向短波长、高功率的方向推进。但它们受结构尺寸的限制,很难将波长缩短到光波波段。60年代发明的常规激光基于原子、分子的能级越迁的原理,是相干光源的划时代的发展,它推动了人类的科学研究和生产活动,做出了极为重要的贡献。但它一般说来不便调变波长,而且功率受工作物质发热的限制。同步辐射利用电子作圆周运动而产生连续谱的辐射,但广谱辐射经分光后,单色强度却大受限制,而且是非相干光。同步辐射装置几十年中经历了三代的发展,由于它有广泛的应用,世界上兼用和专用的装置已有70余台,总投资估计逾10亿美元。为了更好地满足应用的要求,它正在向更短脉冲、更好相干性、更高耀度的第四代发展。下面将要介绍的自由电子激光(以后简称FEL),正是具有这些特征的崭新的光源,所以FEL也被称为第四代同步辐射。

  在光波范围工作的FEL多数使用射频电子直线加速器提供电子来源。它的工作原理可简述如下。由加速器产生的高能电子经偏转磁铁注入到极性交替变换的扭摆磁铁中。电子因做扭摆运动而产生电磁辐射(光脉冲),光脉冲经下游及上游两反射镜反射而与以后的电子束团反复发生作用。结果是电子沿运动方向群聚成尺寸小于光波波长的微小的束团。这些微束团将它们的动能转换为光场的能量,使光场振幅增大。这个过程重复多次,直到光强达到饱和。作用后的电子则经下游的偏转磁铁偏转到系统之外。以上是FEL产生过程的比较形象的描述。从物理学角度看,这个过程就是电子对辐射的受激康普顿散射的结果。这里一个最为关键的环节是电子要聚集成许多短于光波波长的束团。因为,只有这样它的辐射才是相干的,而FEL的技术难度,恰恰也正在于此。电子束性能必须十分优越(能量分散小,方向分散小,时间稳定度高……),同时流强尽可能大,才能达到要求,显然,FEL工作波长愈短,技术难度也就愈大。

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