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深入内部揭秘美国JLab的自由电子激光器(组图)

  ——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。

  美国托马斯杰斐逊国家加速器装置TJNAF(Thomas Jefferson National Accelerator Facility),俗称杰斐逊实验室(Jefferson Lab)或JLab。JLab位于美国弗吉尼亚州纽波特纽斯(Newport News),是美国能源部科学局下属的国家实验室。

JLab自由电子激光器位置示意图

  JLab的自由电子激光器是一个亚皮秒光源,覆盖范围从250纳米的紫外至14微米中红外可调谐,脉冲能量达300 mJ,重复频率达75 MHz。并非所有的参数都可同时满足,但10 kW的平均功率已在红外被证明。

JLab自由电子激光实验楼 上层是实验室,自由电子激光器在下层

  JLab的自由电子激光器基于一种称为能量回收型的直线加速器。电子从左下方的源释放,并且在超导直线加速器中加速。从这个直线加速器出现后,电子通过一个在其中心有扭摆磁铁的激光腔。这个扭摆磁铁引起电子振荡,发出光,该光在腔内被捕获,用来诱导电子放射出更多的光。退出光学腔后,电子然后沿着顶部回路回到直线加速器。在这里,它们将自己的大部分能量给到新一批的电子,使该过程高度有效。

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