揭秘“第四代光源”——自由电子激光

2012-12-10 09:03

　　由于自由电子激光器具有许多一般激光器望尘莫及的优点，所以自由电子激光器问世后不久，科学家们就开始着手于研究它的应用问题．自由电子激光特别适宜于研究光与原子、分子和凝固态物质的相互作用，这类研究涉及到固体表面物理、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、材料、能源、通信、国防和技术科学等多个方面。原子核工程是自由电子激光器应用最有前途的领域之一，自由电子激光器在此应用上的最大优点是高功率、宽可调光谱范围，以及准连续运转特点。因此，可应用于物质提纯、受控核聚变、铀、钆、硼、锶和钛等元素的同位素分离和等离子体加热等。

　　自由电子激光器的高效率、短脉冲及波长可调的优点，在工业上也有广阔的应用前景。例如在半导体工艺中的薄膜沉积、平板印刷术、蚀刻、掺杂质等，自由电子激光器特别适合大批量材料处理，因为它的波长可调谐，器件又可放大到能输出高平均功率。用于材料处理时，要求功率为1～5KW，波长为8～20Van的自由电子激光器。自由电子激光器还可进行各种化学分析与测量，可以生产高纯硅晶体、满足计算机生产的需要．集成电路装配，包括量子处理和光刻可更多地借助短波自由电子激光器。另外，自由电子激光器还用在激光加工、光CVD等方面的材料，制作x射线激光器、激光加速器等。自由电子激光器还用在原子、分子的基础研究上，光化学可依赖工作在紫外到远紫外区的自由电子激光器。自由电子激光的可调谐性和超短脉冲特性，使得探索化学反应过程、生化过程的动态过程成为可能。这对研究物质的结构和性能对生成新物质的研究，将会产生革命性的变革和新的进展也是自由电子激光器应用最丰富的领域，而目前当务之急是研制紧凑、实用的小型自由电子激光器，其主要目的是把价格降到大医院能买得起的水平。对医学研究和治疗而言，这种激光器可在1-101am波段可调，输出功率不超过几百瓦，此种应用一般要求有几瓦平均功率。

　　自由电子激光器可以为空间站输送能量，以降低空间站对太阳能电池的依赖性。用于向卫星传输功率时，要求功率为100KW一1MW，波长为0．86tun的自由电子激光器。

　　在军事上，自由电子激光器可以成为强激光武器，是反洲际导弹的激光武器的主要潜在手段之一。自由电子激光器功率虽然强大，但由于其体积庞大，因此目前只适宜安装在地面上，供陆基激光器使用。在毫米波段，自由电子激光器是唯一有效的强相干信号源，在毫米波激光雷达、反隐形军事目标和激光致盲等研究中具有不可替代的重要应用价值。

　　自由电子激光发展趋势

　　(1)向短波方向发展由于技术上的困难，目前建成的自由电子激光器主要工作在远红外与红外区。随着技术的不断发展，特别是加速器技术上的进步，FEL将不断向短波(真紫外、软x射线)方向推动。

　　(2)提高峰值功率及平均功率这主要是出于军事目的(比如定向能武器和军事通信)。