自由電子激光器是一種新型的強(qiáng)相干輻射源。由于它可能具有高功率、高效率、波長(zhǎng)的大范圍調(diào)諧和超短脈沖的時(shí)間結(jié)構(gòu)等一系列優(yōu)良特性而受到人們的格外重視。目前, 除自由電子激光器之外, 還沒有一種激光器能同時(shí)具備這些特點(diǎn)。這是因?yàn)樗�產(chǎn)生激光的原理與以往的激光器有本質(zhì)上的不同。自由電子激光器是利用相對(duì)論電子束通過(guò)周期磁場(chǎng)將電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為輻射能。

自由電子激光器是七十年代中期以來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類新型激光器。它將電子束動(dòng)能轉(zhuǎn)變成激光輻射, 代表了一種全新的產(chǎn)生相干輻射的概念。自由電子激光器一般由電子加速器、擺動(dòng)器和光學(xué)系統(tǒng)幾個(gè)部分構(gòu)成。加速器產(chǎn)生的高能電子束, 通過(guò)擺動(dòng)器內(nèi)沿長(zhǎng)度方向交替變化的磁場(chǎng)時(shí), 產(chǎn)生橫向擺動(dòng), 并以光子的形式損失一部分能量。這部分能量轉(zhuǎn)變成激光輻射, 通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)輸出。

自由電子受激輻射的設(shè)想曾于1950年由Motz提出，并在1953年進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)，因受當(dāng)時(shí)條件的限制，未能得到證實(shí)。1971年斯坦福大學(xué)的Madey等人重新提出了恒定橫向周期磁場(chǎng)中的場(chǎng)致受激輻射理論，并首次在毫米波段實(shí)現(xiàn)了受激輻射；1976年Madey小組第一次實(shí)現(xiàn)了激光放大，1977年4月斯坦福大學(xué)Deacon等人才研制成第一臺(tái)自由電子激光振蕩器。它由一根抽成真空的長(zhǎng)5.2米的銅管組成，外面繞有超導(dǎo)導(dǎo)線，以便在整個(gè)管上產(chǎn)生一個(gè)周期為3.2厘米的變化的橫向靜磁場(chǎng)（如圖），軸上磁感應(yīng)強(qiáng)度B_0為0.24特斯拉。銅管兩端裝有反射鏡組成諧振腔，腔長(zhǎng)12.7米，輸出鏡面的反射率為1.5%，能散度小于3times10^{-3}的43.5兆電子伏的電子束由超導(dǎo)加速器產(chǎn)生。

工作原理

自由電子激光的物理原理是利用通過(guò)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)。如圖1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)的方向上自發(fā)地發(fā)射電磁波。輻射的方向在以電子運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹行牡囊粋�(gè)角度范圍內(nèi)。

它的工作原理可簡(jiǎn)述如下。由加速器產(chǎn)生的高能電子經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁鐵注入到極性交替變換的扭擺磁鐵中。電子因做扭擺運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電磁輻射（光脈沖），光脈沖經(jīng)下游及上游兩反射鏡反射而與以后的電子束團(tuán)反復(fù)發(fā)生作用。結(jié)果是電子沿運(yùn)動(dòng)方向群聚成尺寸小于光波波長(zhǎng)的微小的束團(tuán)。這些微束團(tuán)將它們的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為光場(chǎng)的能量，使光場(chǎng)振幅增大。這個(gè)過(guò)程重復(fù)多次，直到光強(qiáng)達(dá)到飽和。作用后的電子則經(jīng)下游的偏轉(zhuǎn)磁鐵偏轉(zhuǎn)到系統(tǒng)之外。以上是FEL產(chǎn)生過(guò)程的比較形象的描述。從物理學(xué)角度看，這個(gè)過(guò)程就是電子對(duì)輻射的受激康普頓散射的結(jié)果。這里一個(gè)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是電子要聚集成許多短于光波波長(zhǎng)的束團(tuán)。因?yàn)�，只有這樣它的輻射才是相干的，而FEL的技術(shù)難度，恰恰也正在于此。電子束性能必須十分優(yōu)越（能量分散小，方向分散小，時(shí)間穩(wěn)定度高……），同時(shí)流強(qiáng)盡可能大，才能達(dá)到要求，顯然，F(xiàn)EL工作波長(zhǎng)愈短，技術(shù)難度也就愈大。