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深入内部揭秘美国JLab的自由电子激光器(组图)

自由电子激光器能否出光, 运行质量如何, 主要取决于电子束的质量和电子加速器的运行质量。由于激光阴极射频枪以及高亮度电子储存研究的进展, 很有希望获得高质量的电子束。自由电子激光器装置结构复杂、体积庞大, 价格昂贵、而加速器则是其主要部分, 因此, 自由电子激光器的研究首先要解决的就是研制小型化、简单化的加速器。

  20世纪90年代初期, 自由电子激光器的平均功率就已达11W。为进一步提高自由电子激光的输出功率和效率并进一步缩短波长, 特别是探索更有效的短波长(紫外及X 射线)自由电子激光的机理, 人们对各种与等离子体有关的“非常规”自由电子激光器进行了研究, 并迅速成为自由电子激光研究领域内的热点之一。如等离子体波Wiggler自由电子激光, 以等离子体为背景的静磁Wiggler自由电子激光和离子通道激光。

  1994年10月, 日本关西学术文化研究都市津田的自由电子激光研究所制成了兆瓦量级的自由电子激光实用装置。 这归功于花了二、三十年研究成功的电子直线加速器、微波源和超高真空等基础技术。开发远紫外自由电子激光器需要大电流的贮存环, 长寿命的电子枪以及10(- 9) Pa的超高真空等技术。

  以自放大自发辐射为基础的单程自由电子激光器提供了另一种向真空紫外和X 射线激光推进的路线, 这种自由电子激光器可能提供极强的偏振超脉冲类激光辐射。除了它们的高峰值亮度和高平均亮度外, 电子能量的可调谐性使得这种自由电子激光器成为真空紫外和X 射线辐射无可匹敌的光源。

  本世纪初, 德国汉堡研究人员报告了德国电子同步加速器的真空紫外激光器已产生80 ~120nm可调谐, 吉瓦级功率, 30 ~ 100fs脉冲, 其峰值亮度比目前第三代同步辐射源高8 个数量级。2003年开始进行6nm 自由电子激光器的研究工作。

  人们在成功地建造出真空紫外波段的自放大自发辐射自由电子激光器后, 研究人员把目光放在产生0.1nm最小波长的X 射线自由电子激光器上。德国汉堡电子对撞中心( DESY)的科学家研制出了相当于1000 万倍自然光强度的X 射线激光器。这种自由电子激光器达到了理论上的最大功率。在紫外线照射时, 其功率比其它光源要强千倍。这台自由电子激光器长约30米, 波长范围在80到180纳米之间。据俄罗斯“劳动报”报道,西伯利亚科学家成功地制造出一台世界上独一无二的输出功率和频率均可调的自由电子激光器。这台自由电子激光器高达百米, 功率可调范围为10~ 100 千瓦, 波长的变化范围为2 ~ 30μm, 该激光器的方向性极强, 光束射到月球表面时, 光斑直径不超过30厘米。

  自由电子激光在科学、工业和国防上具有广泛的应用

  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~ 20μm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。

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