自由电子激光：目标是波长更短、亮度更高！

2016-10-22 来源：Ofweek 激光网

导读：与传统激光器相比，自由电子激光采用了极为不同的光束产生方案。不同于普通激光器中电子在原子或分子的束缚能级之间跃迁从而产生电磁辐射的原理，自由电子激光使用在特殊设计的磁场结构中自由运动的相对论性的电子束作为激光介质。

　　这幅图展示的是斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的科学家使用X射线自由电子激光将液柱截断的瞬态过程。图中梦幻般的两把“小伞”就是液柱蒸发时形成的水膜。

　　回味之余，你脑袋里是不是浮现了这样一个问题：自由电子激光是个啥？

　　自由电子激光是利用相对论性的自由电子为工作媒质产生的强相干辐射。由于它的工作介质是自由电子，因此被称为自由电子激光。自由电子激光的特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计，并且能够在大范围内连续调节。

　　自由电子激光VS传统激光

　　与传统激光器相比，自由电子激光采用了极为不同的光束产生方案。不同于普通激光器中电子在原子或分子的束缚能级之间跃迁从而产生电磁辐射的原理，自由电子激光使用在特殊设计的磁场结构中自由运动的相对论性的电子束作为激光介质。

　　自由电子激光可以覆盖更宽的频率范围，并能在较大的范围内调节，目前调节能力已经足可实现从微波波段，经过太赫兹波段、红外波段，到可见波段、紫外波段，甚至X射线波段。由于上述优势，自由电子激光被称为继同步辐射之后的第四代光源。

　　你要说了，单是激发介质不同和频谱可调，这有啥稀罕的？别着急，我正要讲自由电子激光最酷的一点：它的亮度跟其他光源相比可不是高一星半点啊。看下图便知。

自由电子激光：目标是波长更短、亮度更高！

　　自由电子激光相比于X射线发射管，一代同步（如作为兼用光源的北京同步辐射装置），二代同步（如合肥同步辐射装置），三代同步（如上海光源）的亮度对比

　　自由电子激光华丽生成记

　　自由电子激光，是一个以波荡器磁场为媒介，高能相对论性电子束和光场相互作用并进行能量交换的系统。在波荡器的周期性磁场作用下，电子束发生横向周期性振荡，发生自发辐射。处于光场不同相位处的电子，其受到的能量调制不同，不同能量的电子扭摆运动时经过的路径长度不同，使得电子束团产生群聚效应，从而提高了能量交换的效率，而原来均匀分布电子束时的小信号增益，逐渐演化为群聚电子束时的指数增益。

　　靠相对论性的自由电子束来辐射电磁能量，发射光子又高度相干，可不就叫自由电子激光嘛。

自由电子激光：目标是波长更短、亮度更高！

自由电子激光的产生机理示意图

　　国际领先的自由电子激光装置

　　自1971年斯坦福大学的John Madey（PS: 复旦大学的施郁老师很看好这位哥们儿拿诺奖的，可惜今年7月5日去世了）发明自由电子激光以来，远红外、近红外和可见光波段的自由电子激光都早已实现。随着技术的不断发展，科学家不断向短波长方向进军。当然了，波长越短，要实现起来所面临的科学和技术难题也越具挑战性。目前，只有美国、德国等极少数国家实现了X射线波段的自由电子激光。

　　德国自由电子激光装置

　　2006年，世界上第一台软X射线自由电子激光（FLASH）诞生于德国汉堡同步加速器实验室（DESY）。在当时，该自由电子激光装置创造出最短波长13.5 nm、每秒150次脉冲、每发脉冲激光能量达170μJ的世界纪录，并首次得到了非晶样品的高分辨率衍射图像。

自由电子激光：目标是波长更短、亮度更高！

德国FLASH

　　由于DESY 实验室在短波长自由电子激光方面取得了巨大成功，随后，它孕育了一个更大的装置——欧洲X射线自由电子激光设施。10月7日，国际知名期刊Science对新建成的欧洲X射线自由电子激光设施作了深度报道。它是世界上最大X射线自由电子激光设施，足有3.4 km这么长。这一装置目前尚处于调试阶段。

　　美国自由电子激光装置

　　2009年，第一台硬X射线自由电子激光（LCLS）终于横空出世。LCLS是在美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）调试成功的。最初测试时LCLS得到的辐射波长为 0.15 nm，是当时世界上波长最短、能量最高的X射线激光。

自由电子激光：目标是波长更短、亮度更高！