自由电子激光器

自由电子激光器（FEL），所产生激光束其光学性质与传统激光器一样，具有高度相干、高能量的特点，不同之处在于其产生原理。一般激光产生方法是用特定物质激发至激发态以作为激光介质，其激光产生是把原本处于激发态的原子或分子激发以产生激光；有别于一般激光，FEL的光来自同步辐射光源，其原理是利用聚频磁铁 (undulator)或增频磁铁 (wiggler)的磁场把高速前进的电子束多次改变方向，从而把电子的动能转为光子。在这些光子与电子束的相互作用下，光得以放大，而电子束也继而以同步方式发放光束，就此得出了激光。由于电子束在磁场中是自由移动的，故命名为“自由电子激光器”。

自由电子激光产生过程中不需要介质，也就不需要特定物质以做成居量反转，不被特定物质的能级特性而限定了波长。电子束的动能及聚频磁铁的参数阶可随需要改变，只要改变这些条件就可以使激光的波长改变，因此自由电子激光可在相当广的范围内设计成所需要的某一波长，目前涵盖范围由微波，太赫兹，远红外，可见光区，甚紫外以至X射线。自由电子激光器的核心是电子源（通常是粒子加速器）与相互作用区（把电子动能转换为光子能量）。

自由电子激光器发明于1976年，发明者为斯坦福大学的约翰·梅迪(John Madey)。而当中的相关技术聚频磁铁则是由Hans Motz及其伙伴于1953年在斯坦福大学研制。梅迪当时所用电子束能量为24MeV，放大光讯号的聚频磁铁长5米。

## 原理

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在自由电子激光器中，产生激光的第一步就是产生同步辐射光源，就是先把电子加速成接近光速的电子束，然后电子束以纵向通过以大量二极磁体组成的聚频磁铁/波荡器，这些磁体的极向是横向的，并频密地周期性交替变换，当电子束经过磁场时，会因为劳仑兹力所致而横向摆动、偏转，又因磁场极向是交替变换的，电子束的行走路径变成了正弦曲线，意味着电子的加速度有着改变，因而使得电子损失了动能，损失了的动能便以光子形式释放出来，这就是同步辐射光这些光是单色光，没有高方向性，而且也不太据有相干性，这是因为电子的随机分布使得释放光子的时间及位置不一所致。

放置在通频磁铁/波荡器纵向二个末端、互相平行的反射镜形成共振腔（这是所有激光产生都有的），由电子动力转化的光在两镜之间来回反射而形成驻波而共震，特定波长的光强度因而增大，只有前进方向与镜面垂直的光才能形成驻波及增强，成为激光所需的方向性因此形成。当强度大至一定程度时便足以使得光束的纵向电场与正弦曲线走动电子束的纵向电流产生相互作用，基于有质动力的缘固，在有些位置电子的能量增，另一些则减少，最后，电子束的分布被光波调制成在每一光波的波长内有一点较集中，电子串正弦曲线路径的横向部分开始被集中在这些点，结果原有随机分布的电子释放光子时间及位置开始变成同相，所发出的光子变成有相干性，这导致电子路径横向部分进一部集中…，如此循环下去，最后大部分电子也同相地释放光子，达致相干及高方向性，也即产生了激光。

改变电子束能量或频磁铁/波荡器的磁场强度可以变所产生激光的光波长。

由于电子被加速至接近光速，因此由运作、设计必须考虑相对论的论述。其产生之激光的波长 $\lambda_r$为：

$$\lambda_r = \frac{\lambda_u}{2 \gamma^2}\left(1+\frac{K^2}{2}\right)$$

若 K的值相当小时，可被简化为：

$$\lambda_r \propto \frac{\lambda_u}{2 \gamma^2}$$

当中：

$\lambda_u$是聚频磁铁/波荡器的波长

$\gamma$是相对劳仑兹因子及由聚频磁铁/波荡器的几何参数决定的比例常数

这公式可以被理解为结合了两个相对论效应。当电子通过聚频磁铁/波荡器时，因洛伦兹收缩，聚频磁铁/波荡器会按$\gamma$缩短。但以旁观者角度其波长及相对论性多普勒效应作用下在公式中引入了另一$\gamma$因素。例如使用在X光FEL、的聚频磁铁/波荡器，其1 cm的波长会被≈ 2000的$\gamma$转换成1 nm级数的波长，也即电子的速度须为0.9999998c（99.99998%光速）。

## 构造

自由电子激光器需要使用电子加速器，把电子加速到极高速，能量高，有辐射危险性，因此须要加以屏蔽。电子加速器会用上调速电子管之类的设备，需要高压电源。电子束走经的空间需要高度真空，以免空气粒子阻碍电子束，这需要多种真空泵。这些设备很笨重、昂贵，但峰值功率高、能按需要产生特定波长，使得在很多方面也需要使用自由电子激光，例如化学、测定生物分子构、医学诊断、无损检测…。

### X射线 FEL

因为没有物质能有效反射极紫外光及X光，所以造不出对应这些波段的镜，没有镜就不能构成一般产生激光所需的共振腔，没有共振腔便不能使光波来回往返聚频磁铁多次以产生足够的光放大。因为缺乏共振腔，X光自由电子激光只能在波束通过一次之内就把波束放大到所需强度。

为此，需要很长的聚频磁铁，并使用自放大自发辐射（SASE）原理以获得足够的增幅。自放大自发辐射同时会使电子束变得微束；起初，电子是平衡分布的，只会产生不相干的波束，当波束与电子束的震荡互动后，电子束会移位成微束，其横向段被移成等距，并与波束波长相等，如此就能产生同相、相干的波束，波束强度因而以指数式上升。

## 现状

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2016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。尽管自由电子激光涵盖全部光谱范围，具体使用则是针对某一特定频率范围。例如，位于杜布纳粒子物理实验室的FEL工作于毫米波段，汉堡的FLASH 1 工作于深紫外段（6-30nm）, FLASH 2 (4-80 nm)。当前最短工作波长（0.06 nm）的 FEL 则位于日本兵库县的SACLA。未来的FEL（如同样建造于汉堡DESY的欧洲X射线自由电子激光器 (European XFEL)）将会覆盖软硬X射线，涵盖0.05 - 4 nm范围，即X射线自由电子激光器 （XFEL）。

## 世界分布

- 美国SLAC国家加速器实验室，2009年开始启用。
- 日本(SACLA)
- 德国(EU XFEL)
- 韩国(PAL FEL)
- 瑞士(SwissFEL)
- 中国上海光源

## 更多信息

- Madey, John, "Stimulated emission of bremsstrahlung in a periodic magnetic field". J. Appl. Phys. 42, 1906 (1971)
- Madey, John, Stimulated emission of radiation in periodically deflected electron beam, US Patent 38 22 410,1974
- Boscolo, et al., "Free-Electron Lasers and Masers on Curved Paths". Appl. Phys., (Germany), vol. 19, No. 1, pp. 46-51, May 1979.
- Deacon et al., "First Operation of a Free-Electron Laser". Phys. Rev. Lett., vol. 38, No. 16, Apr. 1977, pp. 892-894.
- Elias, et al., "Observation of Stimulated Emission of Radiation by Relativistic Electrons in a Spatially Periodic Transverse Magnetic Field", Phys. Rev. Lett., 36 (13), 1976, p. 717.
- Gover, "Operation Regimes of Cerenkov-Smith-Purcell Free Electron Lasers and T. W. Amplifiers". Optics Communications, vol. 26, No. 3, Sep. 1978, pp. 375-379.
- Gover, "Collective and Single Electron Interactions of Electron Beams with Electromagnetic Waves and Free Electrons Lasers". App. Phys. 16 (1978), p. 121.
- "The FEL Program at Jefferson Lab"
- https://web.archive.org/web/20160718050902/http://www.xfel.eu/research/beamlines/