美国JLab的自由电子激光器

　　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。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。

　　该激光器始于1 kW的自由电子激光器演示计划，1999年8月完成调试，2001年停止使用。1999年10月，2000年2月、7月和10月，2001年2月、6月、8月和10月，作为用户装置运行，为大约30个组提供用户束流约3000小时。

　　在准备将升级到10 kW的功率水平前，该激光器达到了两倍于设计水平的2.1 kW的功率输出。2004年7月21日，在6微米的波长取得了10 kW的连续光。2006年10月30日在1.6微米取得14.2 kW的连续光。因为在红外线波段得到如此高的输出功率，波长越短就越困难。因此这是一个很大的成功，取决于极具创新的设计，克服了在达到如此高的功率的过程中遇到的种种困难。由于最初证明原理的光源能力超过既定的传统光源的能力，所以最初的实验产生了100篇论文，登载在重要期刊上。

　　2010年8月19日，紫外自由电子激光器获得第一个700纳米的激光波长，并迅速达到了100 W的功率水平。随后，在2010年8月31日，激光波长达到400纳米，当天晚些时候降到363纳米。2010年12月9日，紫外自由电子激光器首次成功产生10 eV的光子。运行在基波370纳米的紫外演示自由电子激光器上的孔耦合输出镜将真空紫外谐波光传送到校准的真空紫外二极管。对每10eV微脉冲中5纳米焦耳完全相干光（39光子）进行测量，约占基波能源的0.1％，符合预期。至12月底，波长达到124纳米。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。