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详解自由电子激光器的发展及其应用

导读: 自由电子激光器( FEL)是一类不同于传统激光器的新型高功率相干辐射光源。虽然传统的激光器具有极好的单色性和相干性,但它的低功率、低效率、固定频率和光束质量差的弱点,使它大大逊色于自由电子激光器。

  1 前 言

  自由电子激光器( FEL)是一类不同于传统激光器的新型高功率相干辐射光源。虽然传统的激光器具有极好的单色性和相干性, 但它的低功率、低效率、固定频率和光束质量差的弱点, 使它大大逊色于自由电子激光器。自由电子激光器不需要气体、液体或固体作为工作物质, 而是将高能电子束的动能直接转换成相干辐射能。 因此, 也可以认为自由电子激光器的工作物质就是自由电子。

  1977年, 由于当时已经有了超导加速器和强磁场技术条件,在美国斯坦福大学建成了世界上第一台自由电子激光器。这台激光器借助于超导直线电子加速器提供的43M ev的电子束辐射红外光。这种利用高能电子(又称相对论性自由电子)为工作物质的新型激光器得到了极高的功率输出。由于在自由电子激光器中电子能量改变是连续的,因此它的光束能在很宽的频率(或波长) 范围内连续调谐。

  自由电子激光器较传统激光器有如下优越特性:

  ( 1)传统的激光器是由电子在原子或分子中确定的能级间跃迁产生光发射实现的, 而自由电子激光器没有固有能级的局限性, 它的输出波长在很大范围内连续可调。 自由电子激光器可以工作在整个电磁谱区, 可在普通激光器不能振荡的短波长范围(真空紫外、软X 射线)内产生振荡。现在多数与应用相关的自由电子激光器都在近红外、中红外、近紫外光谱波段工作, 自由电子激光器也有希望成为远红外和亚毫米波段辐射的重要可调辐射源。

  ( 2)自由电子激光器最吸引人的地方是它能产生很高的功率。平均功率达几千瓦, 数兆瓦的高平均功率也可能达到, 峰值功率达到千兆瓦。自由电子激光器由于没有中间能量转换环节, 故其效率很高。10μm波长激光效率在20~ 50% 以上, 而效率可通过电子束能量的恢复情况而加以提高。

  ( 3)由于一般激光器中工作物质性能的衰变,工作寿命短。自由电子激光器的运转机制不受原子、分子介质的影响, 因而自由电子本身不存在着寿命问题。

  ( 4)自由电子激光器光频谱较纯, 避免了传统激光器中由激活介质带来的诸如介质吸收、自聚焦等效应, 因此有利于改善光束的质量。自由电子激光的光束发散角可以达到衍射极限。另外, 自由电子激光还具有窄的时间结构和输出频带, 工作稳定和重复性好等特点。

  自由电子激光器是一种完全新型的相干光源, 它的一些特点是其它相干光源所不可比拟的。近几十年来, 它的发展非常迅速, 已成为现代物理学中最引人瞩目的研究方向。自由电子激光器将成为本世纪最重要的光源。本文在简述自由电子激光器的原理之后, 介绍自由电子激光器的发展及其应用。

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