什么是自由電子激光

自由電子激光器原理圖

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。自由電子激光的概念是John M. J. Madey于1971年在他的博士論文中提出的，并在1976年和他的同事們?cè)谒固垢４髮W(xué)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)紅外自由電子激光，觀察到了10.6μm波長(zhǎng)的光放大。自那以后，許多國(guó)家都開展了關(guān)于自由電子激光的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

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

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高且可調(diào)、相干性好、偏振強(qiáng)，具有ps量級(jí)脈沖的時(shí)間結(jié)構(gòu)，且時(shí)間結(jié)構(gòu)可控，等等。中國(guó)科學(xué)院高能所已于1993年制成我國(guó)第一臺(tái)自由電子激光裝置。

自由電子激光的物理原理是利用通過周期性擺動(dòng)磁場(chǎng)的高速電子束和光輻射場(chǎng)之間的相互作用，使電子的動(dòng)能傳遞給光輻射而使其輻射強(qiáng)度增大。利用這一基本思想而設(shè)計(jì)的激光器稱為自由電子激光器(簡(jiǎn)稱FEL)。如下圖所示，一組扭擺磁鐵可以沿z軸方向產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng).磁場(chǎng)的方向沿y軸。由加速器提供的高速電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁鐵D導(dǎo)入擺動(dòng)磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)的作用.電子的軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)而沿著正弦曲線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)周期與擺動(dòng)磁場(chǎng)的相同。這些電子在xOz面內(nèi)搖擺前進(jìn)，沿x方向有一加速度，因而將在前進(jìn)的方向上輻射出電磁波。輻射的方向在以電子運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?a target="_blank">中心的一個(gè)角度范圍內(nèi)。

由此可見，自由電子激光器的工作原理完全基于經(jīng)典物理學(xué)，不同于傳統(tǒng)激光器(如紅寶石激光器)依賴于原子的受激吸收與受激輻射這一量子現(xiàn)象。在經(jīng)典物理學(xué)中，能量是連續(xù)的，而不是離散(量子化)的。從而，自由電子激光器可以實(shí)現(xiàn)輻射頻率的大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)。

審核編輯 黃宇