自由电子激光器

自由电子激光器自由电子激光器 专业：光学工程专业：光学工程 学号：学号：姓名：姓名：内容提纲内容提纲自由电子激光器的提出自由电子激光器的提出自由电子激光器的结构和产生机制自由电子激光器的结构和产生机制自由电子激光器的优缺点自由电子激光器的优缺点自由电子激光器的发展及应用自由电子激光器的发展及应用一、自由电子激光器的提出一、自由电子激光器的提出19511951年，斯坦福大学的年，斯坦福大学的H.MotzH.Motz提出了自由电子受激辐射提出了自由电子受激辐射的设想，并在的设想，并在19531953年进行过实验，因受当时条件的限制，年进行过实验，因受当时条件的限制，未能得到证实。未能得到证实。1960年年，世界上第一台激光器诞生世界上第一台激光器诞生红宝石激光器。红宝石激光器。激光的发明，极大地推动了物理学的发展。激光的发明，极大地推动了物理学的发展。随着激光器技术的研究和发展，人们普遍希望普通激光随着激光器技术的研究和发展，人们普遍希望普通激光器的功率、效率和波长调谐范围器的功率、效率和波长调谐范围等方面等方面能有大幅度地提能有大幅度地提高，但对于普通的激光器来说，高，但对于普通的激光器来说，很难做到。很难做到。自由电子激光自由电子激光器器一种利用自由电子的受激辐射，把一种利用自由电子的受激辐射，把相对论电子束的能量转换成相干辐射的激光器件。自由相对论电子束的能量转换成相干辐射的激光器件。自由电子受激辐射的设想曾于电子受激辐射的设想曾于1951年由年由Motz提出，并在提出，并在1953年进行过实验，因受当时条件的限制，未能得到证实。年进行过实验，因受当时条件的限制，未能得到证实。1974年斯坦福大学的年斯坦福大学的Madey等人重新提出了恒定横向周等人重新提出了恒定横向周期磁场中的场致受激辐射理论，并首次在毫米波段实现期磁场中的场致受激辐射理论，并首次在毫米波段实现了受激辐射；了受激辐射；1976年年Madey小组第一次实现了激光放大，小组第一次实现了激光放大，1977年年4月斯坦福大学月斯坦福大学Deacon等人才研制成第一台自由等人才研制成第一台自由电子激光振荡器电子激光振荡器。二、自由电子激光器的结构二、自由电子激光器的结构自由电子激光器主要由三部分构成：电子束、磁摆动器、自由电子激光器主要由三部分构成：电子束、磁摆动器、光学谐振腔。对于自由电子激光放大器来说，还需要入光学谐振腔。对于自由电子激光放大器来说，还需要入射激光源。射激光源。产生机制产生机制 为了产生自由电子激光，一束电子被加速至接近光为了产生自由电子激光，一束电子被加速至接近光速（相对论速度）。之后，电子束通过由周期性横向磁速（相对论速度）。之后，电子束通过由周期性横向磁场（通过在光腔中设置与电子束行进方向成变化夹角的场（通过在光腔中设置与电子束行进方向成变化夹角的磁体产生）构成的自由电子振荡器。产生周期性磁场的磁体产生）构成的自由电子振荡器。产生周期性磁场的磁体阵列又被称为磁体阵列又被称为“波荡器波荡器(undulator)”(undulator)”或或“摇摆体摇摆体(wiggler)”(wiggler)”，这是因为它们会作用于电子束使之形成正，这是因为它们会作用于电子束使之形成正弦形状的路径。在此路径上对电子进行加速会使之发射弦形状的路径。在此路径上对电子进行加速会使之发射光子（光子（同步辐射同步辐射）。由于电子周期运动与已发射光场同）。由于电子周期运动与已发射光场同相，得到的是相干叠加的光场，即自由电子激光。所发相，得到的是相干叠加的光场，即自由电子激光。所发射的光波长可以通过改变电子束能量或波荡器的磁场强射的光波长可以通过改变电子束能量或波荡器的磁场强度进行调节。度进行调节。电子在波荡器里轨迹示意图电子在波荡器里轨迹示意图自由电子激光器的总体机制自由电子激光器的总体机制同步辐射同步辐射普通情形下的同步辐射：普通情形下的同步辐射：相对论性带电粒子在电磁场的作用下沿弯转轨道行进时所发出的电磁辐射。同步辐射的特点：同步辐射的特点：同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源，可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。本质上，自由电子激光场的增益来源于电子能量的本质上，自由电子激光场的增益来源于电子能量的减少。在自由电子激光器中，电子在磁摆动器中与光场减少。在自由电子激光器中，电子在磁摆动器中与光场交换能量，实现光场增益；电子通过磁场后，仅有（少）交换能量，实现光场增益；电子通过磁场后，仅有（少）部分能量转换为光场能量，为了提高转换效率，可以将部分能量转换为光场能量，为了提高转换效率，可以将从磁场出来的电子进行循环利用。同时，由于光学谐振从磁场出来的电子进行循环利用。同时，由于光学谐振腔的存在，光场将在谐振腔里不断增益，从而可以获得腔的存在，光场将在谐振腔里不断增益，从而可以获得很高的输出功率很高的输出功率。且由于电子的辐射波长与电子速度和。且由于电子的辐射波长与电子速度和磁周期直接相关，可以通过调节入射电子能量和磁周期磁周期直接相关，可以通过调节入射电子能量和磁周期来实现来实现激光波长的调谐激光波长的调谐。FEL和普通激光器的异同和普通激光器的异同普通激光器FEL泵浦源根据工作物质不同可有根据工作物质不同可有光能光能 电能电能 化学能化学能 原子原子能能电子加速器加速电子电子加速器加速电子工作物质气体、液体或固体（如半气体、液体或固体（如半导体激光器）等激光介质导体激光器）等激光介质摆动器（摆动器（波荡器）波荡器）谐振腔光学谐振腔光学谐振腔光学谐振腔光学谐振腔自由电子激光器的分类自由电子激光器的分类 按是否存在入射激光束分按是否存在入射激光束分：自由电子激光放大器：将入射激光功率放大自由电子激光放大器：将入射激光功率放大 自由电子激光振荡器：无入射激光，依靠光学谐振自由电子激光振荡器：无入射激光，依靠光学谐振腔形成电子束振荡腔形成电子束振荡按工作波段分按工作波段分：康普顿型：工作在短波波段，电子束速度很高，电康普顿型：工作在短波波段，电子束速度很高，电子密度较低，电子之间的相互作用可以忽略不计。子密度较低，电子之间的相互作用可以忽略不计。拉曼型：工作在长波波段，电子束速度较低，电子拉曼型：工作在长波波段，电子束速度较低，电子密度高，电子之间的相互作用不能忽略。密度高，电子之间的相互作用不能忽略。三、自由电子激光器的优点三、自由电子激光器的优点传统利用气体、液体或固体（如半导体激光器）作为激介质的激光器，其激光产生是靠原本处于束缚态的原子或分子受到激发；对于FEL，激光产生则依靠将在磁场中运动的相对论电子束的动能转换为光子能量。激光产生过程中没有传统意义上的工作介质，就没有工作物质内部热损耗，工作物质损伤等限制，自由电子激光器可获得极高的输出功率。理论效率很高可达50%以上。原因是电子激光器直接将电子动能变为电子磁辐射，没有普通激光器的中间能量转换环节。尽管在摇摆器内一次相互作用过程中，电子束能量转换为激光的效率不高，但是从摇摆器出来的电子束能量可以回收，从而可以达到提高效率的目的。由于自由电子处于连续态，从理论上说其辐射波长不受固定波长限制。自由电子激光器比任何传统激光器都具有更宽的频带，因此调谐范围更宽，当前可涵盖微波，太赫兹，远红外，可见光区，甚紫外直至X射线。自由电子激光器的工作物质没有衰变问题，理论上，工作寿命不受限制。自由电子激光器缺点自由电子激光器缺点 因为自由电子激光器中的电子需要具有相对论速度，产生这样速度的电子通常是极为复杂的事情。除此以外，电子的同步质量要好，这使得当前的自由电子激光器复复杂而昂贵杂而昂贵，解决方案之一便是集成到现有设备中来（如位于汉堡的DESY(德国电子加速器)）。截至2006年，全球共有21台自由电子激光器，另有15台在建或计划建造。四、自由电子激光器的发展四、自由电子激光器的发展几个早期的研究成果：几个早期的研究成果：19761976和和19771977年年，美国斯坦福大学在红外波段先后实现了，美国斯坦福大学在红外波段先后实现了自由电子激光放大器和自由电子激光振荡器。自由电子激光放大器和自由电子激光振荡器。19781978年年，美国海军研究实验室在红外区也取得成功。，美国海军研究实验室在红外区也取得成功。19831983年年，法国奥赛的电磁辐射应用实验室首次在可见光，法国奥赛的电磁辐射应用实验室首次在可见光波段实现了自由电子激光器。波段实现了自由电子激光器。19841984年年，美国物理学家在加速器上利用电子束放大一束，美国物理学家在加速器上利用电子束放大一束微波辐射，获得了高功率、高效率、波长调谐范围宽的微波辐射，获得了高功率、高效率、波长调谐范围宽的激光。激光。19931993年，美国年，美国LosAlamosLosAlamos实验室在中红外波段首次实现小实验室在中红外波段首次实现小型化的自由电子激光器。型化的自由电子激光器。提出利用切伦科夫辐射和史密斯提出利用切伦科夫辐射和史密斯-帕塞尔辐射的新型自由帕塞尔辐射的新型自由电子激光器，激光器体积大大缩小。电子激光器，激光器体积大大缩小。19941994年，日本研制成功兆瓦量级的自由电子激光实用装年，日本研制成功兆瓦量级的自由电子激光实用装置。置。德国汉堡电子对撞中心研制出相当于德国汉堡电子对撞中心研制出相当于10001000万倍自然光强万倍自然光强度的度的x x射线射线自由电子自由电子激光器激光器。俄罗斯俄罗斯西伯利亚科学家制造出一台输出功率和频率均可西伯利亚科学家制造出一台输出功率和频率均可调的自由电子激光器调的自由电子激光器，该激光器的方向性极强，光束射该激光器的方向性极强，光束射到月球表面时，光斑直径不超过到月球表面时，光斑直径不超过3O3O厘米厘米自由电子激光器的应用自由电子激光器的应用物理：物理：原子核工程是自由电子激光器应用最有前途的领域之一。自由电子激光器具有高功率、宽可调光谱范围以及准连续运转等特点，可应用于物质提纯、受控核聚变、同位素分离和等离子体加热等。自由电子激光器的高功率，使它可以为空间站输送能量，以降低空间站对太阳能电池的依赖性；也可为卫星传输能量。化学：化学：自由电子激光器可以进行各种化学分析与测量，可以生产高纯硅晶体，满足计算机生产的需要。集成电路装配，包括量子处理和光刻可更多地借助短波自由电子激光器。自由电子激光器可用在原子、分子的基础研究上。光化学可依赖工作在紫外到远紫外区的自由电子激光器。自由电子激光的可调谐性和超短脉冲特性，使得探索化学反应过程、生化过程的动态过程成为可能，这对研究物质的结构和性能、对生成新物质的研究有重大意义。应用于医学研究和疾病治疗。在军事上，在军事上，自由电子激光器可以成为强激光武器，是反洲际导弹的激光武器的主要潜在手段之一。在毫米波段，自由电子激光器是唯一有效的强相干信号源，在毫米波激光雷达、反隐形军事目标和激光致盲等研究中具有不可替代的重要应用价值。激光武器的狂想曲激光武器的狂想曲谢谢！谢谢！