2012年12月激光行业“十大技术”

2012-12-31 14:31

　　6、揭秘“第四代光源”——自由电子激光

　　自由电子激光器一种利用自由电子的受激辐射，把相对论电子束的能量转换成相干辐射的激光器件。自由电子受激辐射的设想曾于1951年由Motz提出，并在1953年进行过实验，因受当时条件的限制，未能得到证实。1974年斯坦福大学的Madey等人重新提出了恒定横向周期磁场中的场致受激辐射理论，并首次在毫米波段实现了受激辐射；1976年Madey小组第一次实现了激光放大，1977年4月斯坦福大学Deacon等人才研制成第一台自由电子激光振荡器。

　　激光是二十世纪最伟大的发明之一，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。

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