自由电子激光器简介

自由电子激光器（FEL）是一种发射相干电磁激光脉冲的光源，脉冲长度很短，波长范围从毫米到X射线，取决于电子能量。FEL是由约翰-麦迪于1971年在斯坦福大学发明的，此后，许多FEL设施被建造出来，用于各种应用，包括生物医学应用。FEL的照明介质包含在磁性结构中自由移动的非常高速的电子。这些电子的速度接近于光的速度。自由电子激光器在太赫兹和X射线波长区域具有优势，而这些区域是传统激光器所不能达到的。

自由电子激光器的结构

自由电子激光器的结构由一系列的磁铁组成，这些磁铁产生一个周期性的横向磁场，称为摆动器或起伏器，允许电子束通过。这些起振器被保持在两面镜子之间，以反射和聚焦起振器产生的同步辐射。其中一面镜子是高度反射的，另一面是部分反射的。有一个电子加速器可以帮助加速电子束通过辐射器。图1显示了一个典型的FEL结构示意图。

图1：自由电子激光器的结构

自由电子激光器的波长取决于许多因素，如电子束的速度、摆动式磁铁的间距和磁场。摆动磁铁的间距通常为几厘米，而设备的总长度为几米。

自由电子激光的工作原理

电子束由磁铁引入激光腔内。这些使用电子加速器加速的电子通过周期性排列的磁铁，这些磁铁在光束路径上有交替的两极，形成一个侧向的磁场。光束的方向被称为纵向，横跨光束路径的方向被称为横向。这种磁阵列被称为起伏器或摆动器，因为由于磁场的洛伦兹力，电子束沿着调制器的轴线以正弦路径横向摆动。由于电子在这个路径上的横向加速，光子被释放出来。这些光子是单色的，但却是不连贯的，因为随机分布的电子产生的电磁波在时间上会发生建设性和破坏性的干扰。由此产生的辐射功率与电子的数量呈线性关系。起伏器两端的镜子构成一个光腔，使辐射形成驻波。同步辐射变得足够强，以至于辐射束的横向电场与正弦摆动运动产生的横向电子电流相互作用。这导致一些电子获得能量，而另一些则在光场中失去能量。辐射功率增加，电子束中发生微束化。一些光子或辐射通过输出镜被提取出来。

自由电子激光的能级图

图2：自由电子激光器的能级图

在自由电子激光器中，电子的能量转换是在一个连续体中发生的。上面的图2显示了氢原子中的电子能量状态。低级别的1级能量最低，被称为基态。第2级、第3级、第4级等是按能量增加的顺序排列的等级。一个电子的能量相当于1个电子伏特（eV），等于1.6×10-19焦耳，非常微小。每个元素中的每个电子都有自己的能级模式，称为元素指纹。如果电子被赋予或发出与能级差异相对应的确切能量，它们就能在各级之间移动。对于一个氢原子来说，如果在1级的电子被给予超过13.6eV的能量，该电子就会被电离并形成自由电子。例如，能量跃迁A、B和C是允许的，但D对这个原子来说是不可能的。E使原子电离，能量增益大于3.4eV。光子的能量等于各级之间的能量变化。波长较短的光子会有较高的能量跃迁。

自由电子激光器的参数

下表显示了自由电子激光器的参数。

自由电子激光器的特点

它们可以在非常宽的波长范围内操作
可以进行大的波长调谐
在极端波长区域有出色的性能
它们是非常强大和高效的
高光谱亮度和相干性
自由电子激光器的局限性

自由电子激光器的一个重要限制是需要一束高质量的相对论电子，具有低角度扩散和极小的电子速度变化。这些光源非常大而且昂贵。建造和运行一个自由电子激光器需要大量的资源。这些激光器只能在世界上的大型设施中使用。

自由电子激光器的应用

由于自由电子激光器能产生高强度的激光脉冲，它们在亚毫米和远红外波长的研究工具中表现出色。它们被用来进行不同的研究，包括测量凝聚物质系统中的主激发，其中主激发如质子、声子、磁子和子带间转换是可能的。自由电子激光器已被研究为同步辐射光源的潜在替代品，同步辐射光源一直是蛋白质晶体学和细胞生物学的主力。

FEL的中红外波长被用于医疗和牙科治疗，利用特定生物分子的特征激光吸收和肿瘤的激光手术。使用6.45微米左右的红外FEL波长，软组织如皮肤、角膜和脑组织可能被切割或消融，而对周围组织的附带损害很小。

自由电子激光器在军事领域也有应用。美国海军正在考虑将自由电子技术作为一种合适的定向能武器用于防空和反导弹防御。在原子物理学领域，利用自由电子激光器进行实验，如原子中多个核心空穴的形成，K壳电子的多光子电离，以及原子团中的巨大库仑爆炸，都是可能的。