什么是自由电子激光

自由电子激光器原理图

自由电子激光是利用自由电子为工作媒质产生的强相干辐射，它的产生机理不同于原子内束缚电子的受激辐射。自由电子激光的概念是John M. J. Madey于1971年在他的博士论文中提出的，并在1976年和他的同事们在斯坦福大学实现了远红外自由电子激光，观察到了10.6μm波长的光放大。自那以后，许多国家都开展了关于自由电子激光的理论与实验研究。

自由电子激光的基本原理是通过自由电子和光辐射的相互作用，电子将能量转送给辐射而使辐射强度增大。

自由电子激光具有一系列已有激光光源无法替代的优点。例如，频率连续可调、频谱范围广、峰值功率和平均功率高且可调、相干性好、偏振强，具有ps量级脉冲的时间结构，且时间结构可控，等等。中国科学院高能所已于1993年制成我国第一台自由电子激光装置。

自由电子激光的物理原理是利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。利用这一基本思想而设计的激光器称为自由电子激光器(简称FEL)。如下图所示，一组扭摆磁铁可以沿z轴方向产生周期性变化的磁场.磁场的方向沿y轴。由加速器提供的高速电子束经偏转磁铁D导入摆动磁场。由于磁场的作用.电子的轨迹将发生偏转而沿着正弦曲线运动，其运动周期与摆动磁场的相同。这些电子在xOz面内摇摆前进，沿x方向有一加速度，因而将在前进的方向上辐射出电磁波。辐射的方向在以电子运动方向为中心的一个角度范围内。

由此可见，自由电子激光器的工作原理完全基于经典物理学，不同于传统激光器(如红宝石激光器)依赖于原子的受激吸收与受激辐射这一量子现象。在经典物理学中，能量是连续的，而不是离散(量子化)的。从而，自由电子激光器可以实现辐射频率的大范围连续调节。