自由電子激光器

　　自由電子激光器（FEL），所產(chǎn)生激光束的光學(xué)性質(zhì)與傳統(tǒng)激光器一樣，具有高度相干、高能量的特點(diǎn)，其不同點(diǎn)在于其特殊的光源產(chǎn)生機(jī)制。傳統(tǒng)利用氣體、液體或固體（如半導(dǎo)體激光器）作為激光介質(zhì)的激光器，其激光產(chǎn)生會(huì)使原本處于束縛態(tài)的原子或分子受到激發(fā)；對(duì)于FEL，激光產(chǎn)生則依靠將在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為光子能量。由于電子束可以在磁場(chǎng)中自由移動(dòng)，故命名為“自由電子激光器”。激光產(chǎn)生過(guò)程中沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的介質(zhì)，不需要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因此，這種激光不依賴于受激發(fā)射。自由電子激光器的核心是電子源（通常是粒子加速器）與相互作用區(qū)（把電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換為光子能量）。

　　由于自由電子處于連續(xù)態(tài)，從理論上說(shuō)其輻射波長(zhǎng)不受固定波長(zhǎng)限制。自由電子激光器比任何傳統(tǒng)激光器都具有更寬的頻帶，因此調(diào)諧范圍更寬，當(dāng)前可涵蓋微波，太赫茲，遠(yuǎn)紅外，可見(jiàn)光區(qū)，甚紫外直至X射線。

　　自由電子激光器發(fā)明于1976年，發(fā)明者為斯坦福大學(xué)的John Madey。其研究核心基于Hans Motz的關(guān)于搖擺磁場(chǎng)構(gòu)型的工作。Madey利用24MeV的電子束和5米長(zhǎng)的搖擺器用于放大信號(hào)。不久之后，其他擁有加速器的實(shí)驗(yàn)室也加入到這種激光器的開(kāi)發(fā)中來(lái)。

　　產(chǎn)生機(jī)制

　　為了產(chǎn)生自由電子激光，一束電子被加速至接近光速（相對(duì)論速度）。之后，電子束通過(guò)由周期性橫向磁場(chǎng)（通過(guò)在光腔中設(shè)置與電子束行進(jìn)方向成變化夾角的磁體產(chǎn)生）構(gòu)成的自由電子振蕩器。產(chǎn)生周期性磁場(chǎng)的磁體陣列又被稱為“波蕩器(undulator)”或“搖擺體(wiggler)”，這是因?yàn)樗鼈儠?huì)作用于電子束使之形成正弦形狀的路徑。在此路徑上對(duì)電子進(jìn)行加速會(huì)使之發(fā)射光子（同步輻射）。由于電子周期運(yùn)動(dòng)與已發(fā)射光場(chǎng)同相，得到的是相干疊加的光場(chǎng)，即自由電子激光。所發(fā)射的光波長(zhǎng)可以通過(guò)改變電子束能量或波蕩器的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　現(xiàn)狀

　　因?yàn)樽杂呻娮蛹す馄髦械碾娮有枰哂邢鄬?duì)論速度，產(chǎn)生這樣速度的電子通常是極為復(fù)雜的事情。除此以外，電子的同步質(zhì)量要好，這使得當(dāng)前的自由電子激光器復(fù)雜而昂貴，解決方案之一便是集成到現(xiàn)有設(shè)備中來(lái)（如位于漢堡的DESY(德國(guó)電子加速器)）。截至2006年，全球共有21臺(tái)自由電子激光器，另有15臺(tái)在建或計(jì)劃建造。盡管自由電子激光涵蓋全部光譜范圍，具體使用則是針對(duì)某一特定頻率范圍。例如，位于杜布納粒子物理實(shí)驗(yàn)室的FEL工作于毫米波段，漢堡的FLASH工作于深紫外段（6-30nm）。當(dāng)前最短工作波長(zhǎng)（0.15nm）的FEL則位于斯坦福。未來(lái)的FEL（如同樣建造于漢堡DESY的歐洲X射線自由電子激光器）將會(huì)包括X射線，涵蓋0.1nm范圍。這樣的FEL稱為X射線自由電子激光器。