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、波長的大范圍調(diào)諧和超短脈沖的時間結(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論電子束通過周期磁場將電子束的動能轉(zhuǎn)換為輻射能。

自由電子激光器是七十年代中期以來發(fā)展起來的一類新型激光器。它將電子束動能轉(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、擺動器和光學(xué)系統(tǒng)幾個部分構(gòu)成。加速器產(chǎn)生的高能電子束, 通過擺動器內(nèi)沿長度方向交替變化的磁場時, 產(chǎn)生橫向擺動, 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)行過實(shí)驗(yàn)，因受當(dāng)時條件的限制，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中的場致受激輻射理論，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自由電子激光振蕩器。它由一根抽成真空的長5.2米的銅管組成，外面繞有超導(dǎo)導(dǎo)線，以便在整個管上產(chǎn)生一個周期為3.2厘米的變化的橫向靜磁場（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。

自由電子激光的物理原理是利用通過周期性擺動磁場的高速電子束和光輻射場之間的相互作用，使電子的動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)計的激光器稱為自由電子激光器(簡稱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．磁場的方向沿Y軸。由加速器提供的高速電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁鐵D導(dǎo)入擺動磁場。由于磁場的作用．電子的軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)而沿著正弦曲線運(yùn)動，其運(yùn)動周期與擺動磁場的相同。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)動方向?yàn)橹行牡囊粋�角度范圍內(nèi)。

圖1.FEL中電子束與發(fā)射的電磁波的位相關(guān)系

它的工作原理可簡述如下。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)動方向群聚成尺寸小于光波波長的微小的束團(tuán)。這些微束團(tuán)將它們的動能轉(zhuǎn)換為光場的能量，使光場振幅增大。這個過程重復(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)生過程的比較形象的描述。從物理學(xué)角度看，這個過程就是電子對輻射的受激康普頓散射的結(jié)果。這里一個最為關(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，時間穩(wěn)定度高……），同時流強(qiáng)盡可能大，才能達(dá)到要求，顯然，F(xiàn)EL工作波長愈短，技術(shù)難度也就愈大。

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(yùn)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(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)。在現(xiàn)有的電子槍和加速器的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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。