侵权投诉
订阅
纠错
加入自媒体

深入内部揭秘美国JLab的自由电子激光器(组图)

2011年2月28日,自由电子激光器的紫外光从楼上被引到实验室的光传输系统,首次进入用户实验室4。从2011年3月1日起,把真空紫外光送到用户实验室1用于表征和以备未来之用。

  JLab率先开发利用电子束开展核物理研究的超导技术,现在也服务于利用光进行科学研究:生物、医学、化学、环境科学、材料科学、凝聚态物理和纳米技术。

  一项极富挑战的方案已经到位,即将自由电子激光的脉冲缩短到阿秒范围,以满足波长可完全调的器件中的时间前沿和高磁场。升级后的自由电子激光也将包括kW规模的紫外线能力。

  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。

  自由电子激光器的发展

  自1960年世界上第一台激光器诞生以来, 随着激光器技术的研究和发展, 人们普遍希望普通激光器的功率、效率、和波长调谐范围能有大幅度地提高, 但对于普通的激光器来说, 简直难于作到, 于是科学家们开始探索新的方法, 新的途径来提高激光器的性能。

  早在20世纪50年代初期, 就有人提出了自由电子受激辐射的设想。1950年, 有人用射频直线加速器和摆动器演示了可见波长自发辐射和微波相干辐射。1957 年到1964年间, 自由电子微波激射器问世, 称为“ubitron”, 在5mm 波长上产生150KW的峰值功率。同时, 人们利用高能电子在轴向磁场中的横向回旋运动产生毫米波, 但一直到1974年才首次在毫米波段实现受激辐射。1977年,美国斯坦福大学的红外波段实现受激辐射. 当时研究此课题时所需的电子加速器等设备相当复杂且价格昂贵. 1978年, 美国海军研究实验室在红外区也取得实验成功。20世纪70 年代, 自由电子激光研究还不怎么兴旺。当它重新开始升温时, 分别通过受激康普顿散射和受激拉曼散射发展。1983年, 法国奥赛的电磁辐射应用实验室, 首次用储存环中运行的电子束获得激光效应, 这台新型的自由电子激光器首次在可见光频段发射光子。1984年, 美国物理学家在加速器上利用电子束放大一束微波辐射, 获得了高功率、高效率、波长宽调谐范围的激光。

  自由电子激光器潜在高输出功率、高效率特性, 使它首先就被考虑用在国防上。20世纪80 年代, 美国里根总统提出了战略防御倡议计划, 使自由电子激光器成为美国“星球大战”计划中陆基或天基定向能武器中最有希望的候选者。这就促使了美国自由电子激光器的研究、开发取得了一系列很大的进展。

  激光技术的研究和开发应用是以军事武器的研究应用为先导, 而逐步推广应用于民品开发生产中去的。研究和发展自由电子激光器的领域十分广阔, 科学家们在许多领域内进行了大量尝试或试探性的应用研究工作。由于自由电子激光器体积庞大, 造价高昂, 极大地限制了其使用范围。自由电子激光器能否充分发挥其优异特性而走向实用, 最终将取决于器件能否小型化。因此, 国际上研究自由电子激光器的热点转向了小型化、实用化、短波长(真空紫外、软X射线)方面。美国LosAlamos实验室于1993 年首次实验成功小型化的自由电子激光器( FEL)。它运行在4-6μm波段,输出峰值功率10MW, 光阴极电子枪的亮度高达2*10(12)A /m2.rad2, 实现了高质低能( 17M ev) 电子束产生中红外自由电子激光。整个装置占有较小的空间, 从而使FEL向小型化和实际应用迈进了一大步。另一方面, 人们在小周期波荡器、虚火花放电装置及虚火花放电、高压电源的改进等几项新技术方面开展的研究都为自由电子激光器走向小型化提供了有利条件。同时, 研制波长几毫米以下的微型摆动器以及激光摆动器、适于上述摆动的低能及角度色散电子束源的开发也成为研究的目标。另外, 利用切伦科夫辐射和史密斯.帕塞尔辐射的新型自由电子激光器, 体积也大大缩小。

<上一页  1  2  3  4  5  6  下一页>  余下全文
声明: 本网站所刊载信息,不代表OFweek观点。刊用本站稿件,务经书面授权。未经授权禁止转载、摘编、复制、翻译及建立镜像,违者将依法追究法律责任。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号