自由電子激光器的原理與應(yīng)用

周宇東

1.自由電子激光器的原理

1.1 同步輻射

要了解自由電子激光的原理我們首先要明白什么是同步輻射。同步輻射：同步輻射是速度接近光速（v≈c）的帶電粒子在磁場(chǎng)中沿弧形軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)放出的電磁輻射，由于它最初是在同步加速器上觀察到的，便又被稱為“同步輻射”。由同步輻射產(chǎn)生的光源叫做同步輻射光源，它的優(yōu)點(diǎn)有：高亮度，寬波段（遠(yuǎn)紅外、可見光、紫外直到X射線范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，并且能根據(jù)使用者的需要獲得特定波長(zhǎng)的光），窄脈沖（脈沖寬度在10-11～10-8s之間可以調(diào)控，脈沖之間的間隔為幾十納秒至微秒量級(jí)），具有高偏振，高準(zhǔn)直，高相干性。同步輻射光源的這些特點(diǎn)正好滿足了激光器光源的需求。所以自由電子激光器利用的就是同步輻射的原理作為光源的。

1.2 自由電子激光器的原理

自由電子激光裝置的原理如圖1所示。

該裝置由3部分組成：電子束注入器、扭擺磁鐵、光學(xué)諧振腔。其中電子束注入器就是電子加速器，扭擺磁鐵是有多對(duì)N-S相間的磁鐵組構(gòu)成，其中相鄰兩組磁鐵的磁場(chǎng)方向是上下交替變化的，磁場(chǎng)變化的空間周期為λw，光學(xué)諧振腔主要是由一個(gè)反射鏡和半透半反鏡構(gòu)成。當(dāng)經(jīng)電子加速器（速度接近光速）沿圖示的Z方向進(jìn)入到扭擺磁鐵區(qū)時(shí)，電子在磁場(chǎng)的洛侖茲力作用下會(huì)在X-Z平面內(nèi)左右往復(fù)擺動(dòng)。當(dāng)帶電粒子在磁場(chǎng)中沿弧形軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)放出的電磁輻射（同步輻射）。在一定的條件下在不同位置處向Z方向發(fā)射的電磁波可以有相同的相位，并且還能夠從電子束中獲得能量，使它們的能量得以增加。其中的一部分電磁波可以在由反射鏡和半透半反鏡構(gòu)成諧振腔內(nèi)往返運(yùn)動(dòng)，使它們的能量反復(fù)放大，最后從半透半反鏡輸出激光。激光必須滿足相干和受激放大的條件。自由電子激光器是怎么實(shí)現(xiàn)相干和受激放大的條件的呢？

1.2.1 相干性

如圖2所示，A，B是相距為一個(gè)磁場(chǎng)空間周期的兩個(gè)點(diǎn)，電子在這兩處的運(yùn)動(dòng)情況完全一樣且都會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，設(shè)電磁波波長(zhǎng)λ1且電子剛到A，B兩處時(shí)產(chǎn)生的電磁波共同相位為δ。當(dāng)A在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)處時(shí)，A點(diǎn)產(chǎn)生的電磁波運(yùn)動(dòng)到為A′。A，B兩點(diǎn)發(fā)的光要相干，就要A′點(diǎn)的電磁波和B點(diǎn)產(chǎn)生的電磁波具有相同的位相δ，即要LA′B′=nλ1（n=1，2，3，…）設(shè)電子沿z方向的速度為v，我們可以得到

上式就是實(shí)現(xiàn)相干性的條件。當(dāng)電磁波沿Z方向發(fā)射時(shí)，也就是θ=0，此時(shí)的相干條件為：

1.2.2 受激放大

自由電子激光器中的受激放大指的是磁場(chǎng)中沿Z方向產(chǎn)生的同步輻射光和電子相互作用使電子動(dòng)能減少，同步輻射光能量增加。實(shí)現(xiàn)電子能量轉(zhuǎn)移到同步輻射光，從而實(shí)現(xiàn)受激放大，如圖3所示。

根據(jù)能量守恒，單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)對(duì)電子所做的功和電子能量的變化的關(guān)系如下：

由單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)對(duì)電子所做的功和電子能量的變化的關(guān)系公式知，如果v·E對(duì)時(shí)間的積分大于零，那么電子束的能量減少，由能量守恒知道，同步輻射光的能量增加，從而實(shí)現(xiàn)受激放大。當(dāng)同步輻射光和電子在Z方向運(yùn)動(dòng)時(shí)。同步輻射光沿x方向來(lái)回振動(dòng)。且每隔半個(gè)波長(zhǎng)改變一次振動(dòng)方向。電子沿Z方向行動(dòng)半個(gè)磁場(chǎng)變化的空間周期，其沿x方向的速度也改變一次。為了保證受激放大，即v·E大于0，當(dāng)電子沿Z方向走過(guò)磁場(chǎng)變化的空間周期時(shí)，同步輻射光應(yīng)該比電子多走半個(gè)波長(zhǎng)的離或者半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍（如圖3所示），也就是

對(duì)比公式（2）和公式（5）發(fā)現(xiàn)公式是一樣，但n的取值范圍不一樣。所以要實(shí)現(xiàn)受激放大。n只能取1，3，5.....一系列奇數(shù)。但是在現(xiàn)實(shí)中高能電子的速度接近與光速，公式（2）和公式（5）n取1。

在滿足受激放大和相干的條件下我們適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)反射鏡和半透半反鏡之間的距離可以實(shí)現(xiàn)同步輻射光在諧振腔內(nèi)來(lái)回振蕩，從而反復(fù)放大，最后從半透半反鏡產(chǎn)生很強(qiáng)的激光。

由相干條件和受激放大條件（n=1）我們可以推出：

BW為扭擺磁場(chǎng)的強(qiáng)度，自由電子激光的波長(zhǎng)為λ1，它與電子能量γ有關(guān)。我們可以通過(guò)改變電子的能量得到不同的自由電子激光的波長(zhǎng)。由于注入電子是脈沖的，脈沖持續(xù)時(shí)間為10-10s，所以脈沖空間寬度比同步輻射激光的波長(zhǎng)大。當(dāng)同步輻射光和電子在歇著腔內(nèi)相互作用時(shí)必定有一部分能量的損失，一部分能量增加。這樣就不是所有的都滿足受激放大了。所以這時(shí)我們引入群聚。

1.2.3 群聚

所謂的群聚就是扭擺磁場(chǎng)和同步輻射場(chǎng)綜合作用的結(jié)果。如圖4所示。在扭擺磁場(chǎng)的作用下電子在x方向上有分速度，在光波的a區(qū)域，光波的電矢量E向下，在E的作用下電子向下做減速運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，光波的磁場(chǎng)B在a區(qū)域是垂直與紙面向內(nèi)的，電子受到的洛侖茲力是向左的，也會(huì)使電子做減速運(yùn)動(dòng)。而在b區(qū)域的情況和a區(qū)域相反，電子都做加速運(yùn)動(dòng)。結(jié)合上面的兩種情況，電子就會(huì)向ab區(qū)域的中部集中，下個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)也是一樣。且兩個(gè)電子團(tuán)的中心也是相距一個(gè)波長(zhǎng)。這些電子團(tuán)在z方向發(fā)出的輻射光也是相干的，所以輻射場(chǎng)也是受激的。

2.自由電子激光器的應(yīng)用

自1960年世界上第一臺(tái)激光器誕生以來(lái)，人們總希望激光器的功率、效率和波長(zhǎng)調(diào)諧范圍能大幅度地提高。而自由電子激光器具則很好地滿足了人們所需。所以自由電子激光器白研制出來(lái)以后，科學(xué)家們就研究起它的一系列應(yīng)用。自由電子激光特別適用于分析和研究光與物質(zhì)的之間的相互作用。自由電子激光器具有高功率以及寬的可調(diào)光譜，所以在原子核工程最有應(yīng)用前途。它可應(yīng)用于物質(zhì)的提純、受控核聚變、鈾、鍶、硼、釓和鈦等元素的同位素分離和等離子體加熱等原子核工程。在空間能量運(yùn)輸和軍事上用到的自由電子激光器的高能量，高功率。在毫米波段，自由電子激光器是唯一有效的強(qiáng)相干信號(hào)源，在毫米波激光雷達(dá)、反隱形軍事目標(biāo)和激光致盲等研究中具有不可替代的重要應(yīng)用價(jià)值。因?yàn)樽杂呻娮蛹す馄骶哂卸堂}沖、高效率及波長(zhǎng)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，所以在工業(yè)上也有著很廣的應(yīng)用前景。自由電子激光器特別適合半導(dǎo)體工藝中大批量材料處理。因?yàn)樗母吖β仕云骷挚煞糯蟮侥茌敵龈咂骄β?，而且它的波長(zhǎng)可調(diào)諧。

結(jié)語(yǔ)

激光由于它的相干性好、能量高、方向性好等特點(diǎn)在通信、醫(yī)療、工業(yè)、軍事上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。自第一臺(tái)自由電子激光器研制成功以來(lái)，因?yàn)樗鄬?duì)于傳統(tǒng)的激光器具有更高的功率、更高的效率、范圍更大的波長(zhǎng)調(diào)諧和更短的脈沖的時(shí)間結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用也越來(lái)也廣泛。我們可以根據(jù)不同能量，不同波段用于不同的領(lǐng)域。而目前的自由電子激光器還比較大，而且費(fèi)用高，需要我們科研工作者們一步步加以完善和優(yōu)化，不久的將來(lái)自由電子激光一定會(huì)應(yīng)用于我們的日常生活中。

參考文獻(xiàn)

[1]秦玉，樊春海，黃慶，等.大科學(xué)裝置同步輻射光源在生命分析化學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)：化學(xué)，2010（1）：23.