通過穩(wěn)定的電子束來泵浦，配置電子貯存環(huán)讓電子束再加速并再循環(huán)使用，用靜電方法或逆向運轉(zhuǎn)的射頻線性加速器使電子減速以充分利用出射電子束的剩余能量，使用上述任何一種方法都可以進一步增大總體效率。自由電子激光器輸出的激光波長lambda _s與電子的能量E有關(guān)：lambda _s sim 1/E^2，故改變電子束的加速電壓就可以改變激光波長，這叫做電壓調(diào)諧，其調(diào)諧范圍很寬，原則上可以在任意波長上運轉(zhuǎn)。在現(xiàn)有的電子槍和加速器的實驗條件下，可以獲得從毫米波到1000Å的光頻波段范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)諧的相干輻射。自由電子激光器的輸出功率與電子束的能量、電流密度以及磁感應(yīng)強度B_0有關(guān)，它可望成為一種高平均功率、高效率（理論極限達(dá)40%）、高分辨率的具有穩(wěn)定功率和頻率輸出的激光器件，采用它能夠避免某些工藝上的麻煩（如激光工作物質(zhì)稀缺、有毒或腐蝕金屬、玻璃），另外，它基本上不存在使用壽命問題。

自由電子激光器的應(yīng)用

由于自由電子激光器具有許多一般激光器望塵莫及的優(yōu)點, 所以自由電子激光器問世后不久,科學(xué)家們就開始著手于研究它的應(yīng)用問題.自由電子激光特別適宜于研究光與原子、分子和凝固態(tài)物質(zhì)的相互作用, 這類研究涉及到固體表面物理、半導(dǎo)體物理、超導(dǎo)體、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、光譜學(xué)、非線性光學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料、能源、通信、國防和技術(shù)科學(xué)等多個方面.原子核工程是自由電子激光器應(yīng)用最有前途的領(lǐng)域之一, 自由電子激光器在此應(yīng)用上的最大優(yōu)點是高功率、寬可調(diào)光譜范圍, 以及準(zhǔn)連續(xù)運轉(zhuǎn)特點.因此, 可應(yīng)用于物質(zhì)提純、受控核聚變、鈾、釓、硼、鍶和鈦等元素的同位素分離和等離子體加熱等.

自由電子激光器的高效率、短脈沖及波長可調(diào)的優(yōu)點, 在工業(yè)上也有廣闊的應(yīng)用前景.例如在半導(dǎo)體工藝中的薄膜沉積、平板印刷術(shù)、蝕刻、摻雜質(zhì)等, 自由電子激光器特別適合大批量材料處理, 因為它的波長可調(diào)諧, 器件又可放大到能輸出高平均功率.用于材料處理時, 要求功率為1 ～5KW, 波長為8 ～ 20μm的自由電子激光器.自由電子激光器還可進行各種化學(xué)分析與測量, 可以生產(chǎn)高純硅晶體、滿足計算機生產(chǎn)的需要.集成電路裝配, 包括量子處理和光刻可更多地借助短波自由電子激光器.另外, 自由電子激光器還用在激光加工、光CVD等方面的材料, 制作X射線激光器、激光加速器等.

自由電子激光器還用在原子、分子的基礎(chǔ)研究上, 光化學(xué)可依賴工作在紫外到遠(yuǎn)紫外區(qū)的自由電子激光器.自由電子激光的可調(diào)諧性和超短脈沖特性, 使得探索化學(xué)反應(yīng)過程、生化過程的動態(tài)過程成為可能.這對研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能對生成新物質(zhì)的研究, 將會產(chǎn)生革命性的變革和新的進展.

醫(yī)學(xué)也是自由電子激光器應(yīng)用最豐富的領(lǐng)域, 而目前當(dāng)務(wù)之急是研制緊湊、實用的小型自由電子激光器, 其主要目的是把價格降到大醫(yī)院能買得起的水平.對醫(yī)學(xué)研究和治療而言, 這種激光器可在1 ～ 10μm波段可調(diào), 輸出功率不超過幾百瓦, 此種應(yīng)用一般要求有幾瓦平均功率.更可觀的是自由電子激光器可以為空間站輸送能量, 以降低空間站對太陽能電池的依賴性.用于向衛(wèi)星傳輸功率時, 要求功率為100KW ～ 1MW,波長為0.86μm的自由電子激光器.在軍事上, 自由電子激光器可以成為強激光武器, 是反洲際導(dǎo)彈的激光武器的主要潛在手段之一.自由電子激光器功率雖然強大, 但由于其體積龐大, 因此目前只適宜安裝在地面上, 供陸基激光器使用.在毫米波段, 自由電子激光器是唯一有效的強相干信號源, 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)用價值。

發(fā)展前景

自由電子激光器在短波長、大功率、高效率和波長可調(diào)節(jié)這四大主攻方向上，為激光學(xué)科的研究開辟了一條新途徑，它可望用于對凝聚態(tài)物理學(xué)、材料特征、激光武器、激光反導(dǎo)彈、雷達(dá)、激光聚變、等離子體診斷、表面特性、非線性以及瞬態(tài)現(xiàn)象的研究，在通訊、激光推進器、光譜學(xué)、激光分子化學(xué)、光化學(xué)、同位素分離、遙感等領(lǐng)域，它應(yīng)用的前景也很可觀。