自由電子雷射

自由電子雷射

自由電子雷射是雷射家族的一個新成員。由于它的工作介質是自由電子,因此稱為自由電子雷射,這種雷射的特點是雷射波長和脈沖結構可以根據需要進行設計,並且能夠在大範圍內連續調節,有著重要的套用前景。

  • 中文名稱
    自由電子雷射
  • 外文名稱
    freedom electron laser

原理

自由電子雷射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度增大。利用這一基本思想而設計的雷射器稱為自由電子雷射器(簡稱FEL)。如圖1所示,一組扭擺磁鐵可以沿z軸方向產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偏轉磁鐵D導入擺動磁場。由于磁場的作用.電子的軌跡將發生偏轉而沿著正弦曲線運動,其運動周期與擺動磁場的相同。這些電子在XOZ面內搖擺前進.沿x方向有一加速度.因而將在前進的方向上自發地發射電磁波。輻射的方向在以電子運動方向為中心的一個角度範圍內。?

自由電子雷射

發展

自1960年世界上第一台雷射器誕生以來,隨著雷射器技術的研究和發展,人們普遍希望普通雷射器的功率、效率、和波長調諧範圍能有大幅度地提高,但對于普通的雷射器來說,簡直難于作到,于是科學家們開始探索新的方法,新的途徑來提高雷射器的性能.早在20世紀50年代初期,就有人提出了自由電子受激輻射的構想。

1950年,有人用射頻直線加速器和擺動器演示了可見波長自發輻射和微波相幹輻射.1957年到1964年問,自由電子微波激射器問世,稱為“ubitron”,在5mm 波長上產生150KW 的峰值功率.同時,人們利用高能電子在軸向磁場中的橫向回旋運動產生毫米波,但一直到1974年才首次在毫米波段實現受激輻射。

1977年,美國斯坦福大學的紅外波段實現受激輻射.當時研究此課題時所需的電子加速器等設備相當復雜且價格昂貴.

1978年,美國海軍研究實驗室在紅外區也取得實驗成功.20世紀70年代,自由電子激‘光研究還不怎麽興旺.當它重新開始升溫時,分別通過受激康普頓散射和受激拉曼散射發展.1983年,法國奧賽的電磁輻射套用實驗室,首次用儲存環中運行的電子束獲得雷射效應,這台新型的自由電子雷射器首次在可見光頻段發射光子.

1984年,美國物理學家在加速器上利用電子束放大一束微波輻射,獲得了高功率、高效率、波

長寬調諧範圍的雷射.自由電子雷射器潛在高輸出功率、高效率特徵,使它首先就被考慮用在國防上.

20世紀80年代,美國裏根總統提出了戰略防御倡議計畫,使自由電子雷射器成為美國“星球大戰”計畫中陸基或天基定向能武器中最有希望的候選者.這就促使了美國自由電子雷射器的研究、開發取得了一系列很大的進展.雷射技術的研究和開發套用是以軍事武器的研究套用為先導,而逐步推廣套用于民品開發生產中去的.研究和發展自由電子雷射器的領域十分廣闊,科學家們在許多領域內進行了大量嘗試或試探性的套用研究工作.由于自由電子雷射器體積龐大,造價高昂,極大地限製了其使用範圍.自由電子雷射器能否充分發揮其優異特徵而走向實用,最終將取決于器件能否小型化.因此,國際上研究自由電子雷射器的熱點轉向了小型化、實用化、短波長(真空紫外、軟x射線)方面.美國LosAlamos實驗室于1993年首次實驗成功小型化的自由電子雷射器(FEL).它運行在4—6txm波段,輸出峰值功率10MW,光陰極電子槍的亮度高達2×10 A/m ·rad ,實現了高質低能(17Mev)電子束產生中紅外自由電子雷射.整個裝置佔有較小的空間,從而使FEL向小型化和實際套用邁進了一大步.另一方面,人們在小周期波蕩器、虛火花放電裝置及虛火花放電、高壓電源的改進等幾項新技術方面開展的研究都為自由電子雷射器走向小型化提供了有利條件.同時,研製波長幾毫米以下的微型擺動器以及雷射擺動器、適于上述擺動的低能及角度色散電子束源的開發也成為研究的目標.另外,利用切倫科夫輻射和史密斯·帕塞爾輻射的新型自由電子雷射器,體積也大大縮小.

2O世紀9O年代初期,自由電子雷射器的平均功率就已達11W.為進一步提高自由電子雷射的輸出功率和效率並進一步縮短波長,特別是探索更有效的短波長(紫外及x射線)自由電子雷射的機理,人們對各種與電漿有關的“非常規”自由電子雷射器進行了研究,並迅速成為自由電子雷射研究領域內的熱點之一··· .如電漿波Wiggler自由電子雷射,以電漿為背景的靜磁Wiggler自由電子雷射和離子通道雷射.

1994年1O月,日本關西學術文化研究都市津田的自由電子雷射研究所製成了兆瓦量級的自由電子雷射實用裝置.這歸功于花了二、三十年研究成功的電子直線加速器、微波源和超高真空等基礎技術.開發遠紫外自由電子雷射器需要大電流的貯存環,長壽命的電子槍以及lO Pa的超高真空等技術.以自放大自發輻射為基礎的單程自由電子雷射器提供了另一種向真空紫外和x射線雷射推進的路線,這種自由電子雷射器可能提供極強的偏振超脈沖類雷射輻射.除了它們的高峰值亮度和高平均亮度外,電子能量的可調諧性使得

這種自由電子雷射器成為真空紫外和x射線輻射無可匹敵的光源.

本世紀初,德國漢堡研究人員報告了德國電子同步加速器的真空紫外雷射器已產生8O~120nm可調諧,吉瓦級功率,30~100fs脈沖,其峰值亮度比目前第三代同步輻射源高8個數量級.2003年開始進行6nm 自由電子雷射器的研究工作.

人們在成功地建造出真空紫外波段的自放大自發輻射自由電子雷射器後,研究人員把目光放在產生0.1nm最小波長的x射線自由電子雷射器上.德國漢堡電子對撞中心(DESY)的科學家研製出了相當于1000萬倍自然光強度的x射線雷射器.這種自由電子雷射器達到了理論上的最大功率.在紫外線照射時,其功率比其它光源要強千倍.這台自由電子雷射器長約3O米,波長範圍在8O到180納米之間.據俄羅斯“勞動報”報道,西伯利亞科學家成功地製造出一台世界上獨一無二的輸出功率和頻率均可調的自由電子雷射器.這台自由電子雷射器高達百米,功率可調範圍為lO~100千瓦,波長的變化範圍為2~30lxm,該雷射器的方向性極強,光束射到月球表面時,光斑直徑不超過3O釐米.

套用

由于自由電子雷射器具有許多一般雷射器望塵莫及的優點,所以自由電子雷射器問世後不久,科學家們就開始著手于研究它的套用問題.自由電子雷射特別適宜于研究光與原子、分子和凝固態物質的相互作用,這類研究涉及到固體表面物理、半導體物理、超導體、凝聚態物理、化學、光譜學、非線性光學、生物學、醫學、材料、能源、通信、國防和技術科學等多個方面.原子核工程是自由電子雷射器套用最有前途的領域之一,自由電子雷射器在此套用上的最大優點是高功率、寬可調光譜範圍,以及準連續運轉特點.因此,可套用于物質提純、受控核聚變、鈾、釓、硼、鍶和鈦等元素的同位素分離和電漿加熱等.

自由電子雷射器的高效率、短脈沖及波長可調的優點,在工業上也有廣闊的套用前景.例如在半導體工藝中的薄膜沉積、平板印刷術、蝕刻、摻雜質等,自由電子雷射器特別適合大批量材料處理,因為它的波長可調諧,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8~20Van的自由電子雷射器.自由電子雷射器還可進行各種化學分析與測量,可以生產高純矽晶體、滿足電腦生產的需要.積體電路裝配,包括量子處理和光刻可更多地借助短波自由電子雷射器.另外,自由電子雷射器還用在雷射加工、光CVD等方面的材料,製作x射線雷射器、雷射加速器等.自由電子雷射器還用在原子、分子的基礎研究上,光化學可依賴工作在紫外到遠紫外區的自由電子雷射器.自由電子雷射的可調諧性和超短脈沖特徵,使得探索化學反應過程、生化過程的動態過程成為可能.這對研究物質的結構和性能對生成新物質的研究,將會產生革命性的變革和新的進展

也是自由電子雷射器套用最豐富的領域,而目前當務之急是研製緊湊、實用的小型自由電子雷射器,其主要目的是把價格降到大醫院能買得起的水準.對醫學研究和治療而言,這種雷射器可在1—

101am波段可調,輸出功率不超過幾百瓦,此種套用一般要求有幾瓦平均功率。

觀的是自由電子雷射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.用于向衛星傳輸功率時,要求功率為100KW一1MW,波長為0.86tun的自由電子雷射器

在軍事上,自由電子雷射器可以成為強雷射武器,是反洲際飛彈的雷射武器的主要潛在手段之一.自由電子雷射器功率雖然強大,但由于其體積龐大,因此目前隻適宜安裝在地面上,供陸基雷射器使用.在毫米波段,自由電子雷射器是唯一有效的強相幹信號源,在毫米波雷射雷達、反隱形軍事目標和

雷射致盲等研究中具有不可替代的重要套用價值.

發展趨勢

(1)向短波方向發展 由于技術上的困難,目前建成的自由電子雷射器主要工作在遠紅外與紅外區。隨著技術的不斷發展,特別是加速器技術上的進步,FEL將不斷向短波(真紫外、軟x射線)方向推動。

(2)提高峰值功率及平均功率 這主要是出于軍事目的(比如定向能武器和軍事通信)。

(3)發展小型化專用裝置及工業套用 目前,美國、日本等國的許多著名公司都在積極研究經濟實用的專用FEL裝置。

(4)提高功率轉換效率 目前,FEL的能量轉換效率還很低(10%一20% ),因此,無論從科學實驗、工業套用還是軍事目的,都亟待提高總功率轉換效率。最新研究表明,將射出的無用電子束送人減速裝置回收其能量,回收率可達95% 。自由電子雷射從出現至今剛剛經歷了20個年頭,尚處于發展的初期階段,技術還不成熟,但FEL性能上無可比擬的優點,越來越引起科學界、軍事界、醫學界的高度重視。已成為科學技術領域最活躍的領域之一。

相關詞條

其它詞條