自由電子激光

自由電子激光

原理發(fā)展特點(diǎn)及應(yīng)用前景周陽2016021668激光是基于受激放大原理而產(chǎn)生的一種相干光輻射.普通激光是固體或氣體的原子或分子產(chǎn)生的受激相干輻射，而自由電子激光則是由真空中的自由電子產(chǎn)生的受激相干輻射.自由電子激光WHAT自由電子激光是利用自由電子為工作媒質(zhì)產(chǎn)生的強(qiáng)相干輻射，它的產(chǎn)生機(jī)理不同于原子內(nèi)束縛電子的受激輻射。

WHY自由電子激光的基本原理是通過自由電子和輻射的相互作用，電子將能量轉(zhuǎn)送給輻射而使輻射強(qiáng)度增大。

HOW自由電子激光具有一系列已有激光光源無法替代的優(yōu)點(diǎn)。例如，頻率連續(xù)可調(diào)，頻譜范圍廣，峰值功率和平均功率大，且可調(diào)，相干性好，偏振強(qiáng)，具有ps量級脈沖的時間結(jié)構(gòu)，且時間結(jié)構(gòu)可控等等。

原理圖如下，它由電子束注入器(電子加速器)、扭擺磁鐵和光學(xué)諧振腔(主要是兩個反射鏡)三部分組成.扭擺磁鐵由很多組磁鐵構(gòu)成，相鄰兩組磁鐵的磁場方向是上下交替變化的，磁場變化的空間周期用表示.由電子加速器注入到扭擺磁場區(qū)的電子向z方向前進(jìn)并在洛倫茲力的作用下，在x一z平面內(nèi)左右往復(fù)地擺動，當(dāng)電子在磁場區(qū)域內(nèi)作圓弧形運(yùn)動有向心加速度就會沿軌道的切線方向輻射出電磁波，其半張角為自由電子激光裝置的原理圖

實(shí)際上是以電子的靜止能量作單位來量度的電子能量.在一定條件下由各點(diǎn)向z方向發(fā)射的電磁波可以具有相同的位相(即為相干光)并能從電子束得到能量使電磁波的能量增加(受激放大).由全反射鏡和半反半透鏡組成的諧振腔則使一部分電磁輻射往返運(yùn)動，受到反復(fù)放大，并從半反半透鏡輸出.下面我們就來分析一下實(shí)現(xiàn)相干和受激放大的原理和條件.相干：圖2中A、B為相距一個磁場周期的相應(yīng)的兩點(diǎn)，電子先后經(jīng)過這兩點(diǎn)時都會輻射出電磁波，設(shè)其波長為.由于電子在A、B兩點(diǎn)的運(yùn)動情況完全相同，在這兩點(diǎn)剛發(fā)出的電磁波應(yīng)具有相同的位相，當(dāng)電子從A運(yùn)動到B點(diǎn)開始輻射時，A點(diǎn)發(fā)出的光已傳到A'，A、B兩點(diǎn)發(fā)的光要相干，就要B'點(diǎn)的光和B點(diǎn)剛發(fā)的光具有相同的位相，即要(n=1，2，3，…).設(shè)電子沿z方向的速度為，則有

如果電磁波向z方向發(fā)射，,則實(shí)現(xiàn)相干的條件為受激放大沿z方向傳播的光輻射和前方的電子相互作用使電子的動能減少，光能增加.電子環(huán)形運(yùn)動時產(chǎn)生的光輻射是偏振的，沿z方向傳播的光的電矢量E應(yīng)在電子軌道平面內(nèi)沿x方向振動，E的表達(dá)式可寫為:扭擺電子具有二方向的分速度，若光的電場正好使電子減速，則電子能量減少，光輻射的能量增加.根據(jù)能量守恒，單位時間內(nèi)電場對電子所做的功和電子能量的變化應(yīng)有以下關(guān)系-ev·E=，m=若v·E對時間積分的效果大于零，則電子束能量減少，輻射場受激.當(dāng)電子和光輻射向z方向運(yùn)動時，光輻射的電矢量沿x方向來回振動，每半個波長改變一次方向，電子速度v的x分量方向則每當(dāng)電子前進(jìn)也改變一次.為了保持v·E>O，當(dāng)電子沿z方向穿過距離時，光輻射應(yīng)比電子多走的距離，即要k=0,1,2...,若令n=2k+1=1,3,5,則得特點(diǎn):(l)單色，頻率可調(diào)，調(diào)諧范圍寬自由電子激光是單色的相干光;波長可隨電子束能量的變化而變化，而加速器輸出的電子束能量可以方便地在相當(dāng)大的范圍內(nèi)改變，頻譜可從遠(yuǎn)紅外跨越到X射線.而絕大多數(shù)普通激光器只能在固定的波長下工作(2)光束質(zhì)量好單色性好，譜線窄;高度偏振;它的光脈沖的時間結(jié)構(gòu)也非常優(yōu)異，既有Ps級的短脈沖，也有幾百微秒的長脈沖，脈沖的時間結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)不同需要加以改變.(3)功率高普通激光器在高功率下運(yùn)行時會由于熱效應(yīng)使工作介質(zhì)損壞，自由電子激光的工作介質(zhì)是真空中的電子束，不存在熱效應(yīng)問題，因此功率可以很高，最高峰值功率可達(dá)GW量級.

由于自由電子激光具有上述突出的優(yōu)點(diǎn)而被一些人稱為第四代的同步輻射，它在國防、醫(yī)學(xué)、固體物理、材料科學(xué)、生命科學(xué)和能源領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

一、在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用由于人體各種組織對不同波長激光的吸收與散射參數(shù)是激光醫(yī)學(xué)中的重要數(shù)據(jù)，被認(rèn)為是理想的醫(yī)學(xué)激光器，能夠在依賴頻率效應(yīng)的組織和器官上找到應(yīng)用——由于蛋白質(zhì)在4.5um左右的波長上吸收光能最好，因而自由電子激光在激光開刀手術(shù)上具有更小的組織創(chuàng)傷面。二、在化學(xué)方面的應(yīng)用自由電子激光不僅在現(xiàn)代化學(xué)基礎(chǔ)研究上發(fā)揮重大的作用，而且在化學(xué)工業(yè)上也有重要作用。1.研究分子激發(fā)態(tài)和分子內(nèi)和分子間的能量轉(zhuǎn)移，探索化學(xué)反應(yīng)的新途徑。2.激光化學(xué)處理。3.激光同位素分離。4.用激光進(jìn)行材料的化學(xué)處理，如用激光誘導(dǎo)表面改性等。三、在其它物理方面的應(yīng)用1.遠(yuǎn)紅外自由電子激光正好彌補(bǔ)了遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)光源和探測器的不足。非線性光譜和瞬態(tài)研究將主要受益于遠(yuǎn)紅外自由電子激光脈沖，例如分子的能量傳輸機(jī)理等。2.亞毫米自由電子激光可應(yīng)用到半導(dǎo)體物理學(xué)中很重要很新的熱電子問題上。當(dāng)熱電子效應(yīng)未知時，亞毫米自由電子激光可以產(chǎn)生并且探測其載體的瞬態(tài)行為。3.亞毫米自由電子激光很高的平均功率，使它可應(yīng)用到強(qiáng)磁場中的等離子體加熱或診斷上。4.在激光誘導(dǎo)原子聚變，要求波長為0.3um的短脈沖激光，輸送一兆焦耳的能量到靶上，自由電子激光有能力應(yīng)用到這個項(xiàng)目上。5.在高能物理加速器方面，自由電子激光可提供高密度加速電場，以實(shí)現(xiàn)新一代更高能量的加速器。四、在信息學(xué)科中的應(yīng)用1.在高分辨雷達(dá)方面，毫米和紅外自由電子激光是很重要的波源。2.在100公里至150公里高空處遙感診斷分子種類，自由電子激光將是非常有用的。五、在材料科學(xué)中的應(yīng)用利用激光所擁有的特點(diǎn)制備新穎材料是近年來發(fā)展極為迅速而頗有成效的一種新方法。由于激光束可以聚焦成極小的光斑，在局部小范圍內(nèi)迅速加熱而不影響周圍材料的性質(zhì)，因此可在材料表面進(jìn)行優(yōu)化處理。發(fā)展趨勢(1)向短波方向發(fā)展由于技術(shù)上的困難，目前建成的自由電子激光器主要工作在遠(yuǎn)紅外與紅外區(qū)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是加速器技術(shù)上的進(jìn)步，F(xiàn)EL將不斷向短波(真紫外、軟x射線)方向推動。(2)提高峰值功率及平均功率這主要是出于軍事目的(比如定向能武器和軍事通信)。(3)發(fā)展小型化專用裝置及工業(yè)應(yīng)用當(dāng)前自由電子激光發(fā)展的重要方向是發(fā)展小型、緊湊、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的專用FEL裝置.美國、日本等國的許多著名公司都在積極研究經(jīng)濟(jì)實(shí)用的專用FEL裝置(4)提高功率轉(zhuǎn)換效率FEL的能量轉(zhuǎn)換效