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透析自由电子激光器现状及其未来应用趋势

  我们提出四个标志,能证明FEL技术已经成熟。

  首先,正如上文所述,在全球范围内以有许多FEL装置建成和正在筹划。最近试制的装置包括荷兰FLARE、柏林FHI、英国ALICE和其他许多IR-THz领域的装备。在建短波长装置有:欧洲XFEL、瑞士SwissFEL、瑞典MAX-IV、韩国PAL X-FEL等。

  其次,SLAC实验室的全球首台硬X射线FEL直线加速器相干光源装置的成功调试,将FEL技术的可适用波长范围扩大(原先的记录是FLASH装置的波长大于6.5nm,如今低至0.15nm),这意味着在这项技术中再无隐藏的问题。最近的SALCA的0.08nmFEL成功调试更加说明了这一点。

  第三,2009年美国海军研究办公室决定将海军的FEL项目从科研领域(TJNAF)向工业领域(Boeing)进军。

  最后,有了从工业化公司订购成套电子管道的新经验——例如,向RI研究仪器GmbH的FLARE和德国柏林学院弗里茨·哈伯(FHI)高端能量系统(AES)订购。

  3、未来应用

  3.1 军事和航空

  数十年前军方就提出了定向能武器的概念。远程激光的重要应用包括舰艇对抗反舰导弹,是对抗炮弹和火箭弹的重要设施,也能在飞机起飞或降落时对抗地对空导弹,以保护飞机。此外还有一些别的重要应用,比如,陆地或太空的远程遥感,以激光形式为无人机和低轨卫星供能。目前甚至提出了太空中的激光推进技术。

  美国军方对FEL装置的兴趣始于1978年,当时美国国防部先进研究项目局(DARPA)提出,没有其他激光技术能够像FEL那样产生足以满足战略导弹需求的光束功率和质量。1983年,启动了战略防御计划(SDI),高功率FEL项目取得巨大进步。特别是LANL发明了射频光电注入装置,使得光学在实质上取得了进步。当1990年SDI计划结束之后,自由电子激光器在海军研究办公室(ONR)推动下继续前进。自从FEL装置的输出波长可调之后,FEL即可适用于海军环境,甚至在操作中,可以在几个预设选项中自由切换,以适应环境需求。

  在ONR的支持下,美国能源部的托马斯杰弗逊国家加速器设备(TJNAF)于 1998年发射出了红外自由电子激光。目前TJNAF的记录是2006年创造的的1.06微米波长功率为14千瓦,持续时间30秒。为最终设计和建造舰载定向能武器,美国海军提出下一步计划,在兆瓦级FEL装置中证明和研制输出100千瓦红外激光的样机。在2009年,在美国全国科学研究委员会(NRC)倡导下,ONR和波音公司、雷声公司签订合同,设计和研发100千瓦级的样机。2010年,波音公司得到了样机设计的确认合同,洛斯阿拉莫斯国家实验室为主要的项目承接机构。在定向能领域大多数的努力都着眼于固体激光器,一些专家认为FEL技术比高功率固体激光器在定向能领域更具潜力。

  3.2 极紫外FEL技术应用于下一代半导体光刻

  在过去数十年间光刻已被广泛应用于制造更加密集的集成电路。为保证小型化,光刻所用的激光波长越来越短。光刻用ArF激光器做光源的193纳米紫外光的能力不断提升,但是或许已经达到其物理极限。目前被广泛接受的观点是,未来光刻的进展需要基于13.5纳米光的极紫外(EUV)光刻(EUVL)。然而,目前尚无可用激光源,提供足够高的平均功率来满足大体积制造。因此,过去几年间已有提出为极紫外光刻所用的FEL装置的设计,这绝非偶然。其中有两种结构值得关注,Schneidmiller等人提出将FLASH结构的能量扩大,这种方法的花费较为昂贵,能量消耗较大,但是此技术比较成熟,理论上能够很快实现。第二种方案是建立多程能量回复分立跟踪FEL装置。此方法理论上性价比很高,但是还需要开展很多相关技术研究。

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