自由电子激光物理导论 第一章 FEL-1
高等激光物理学第一章
光能密度
A21, B21与B12统称为爱因斯坦系数
1. 激光器的产生条件
爱因斯坦系数的关系 (A21, B21与B12)
考虑一个达到热平衡的空腔系统 组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等 各能级粒子数符合玻尔兹曼分布 空腔中的辐射场将有一个稳定的分布
T
组成腔壁的粒子吸收和发射的光子数相等
受激辐射强于自发辐射
增大 （谐振腔）
dN 21 B21 N 2 dt B21 c3 3 dN 21 A21 N 2 dt A21 8 hv
激光是远离热平衡的系统
2.激光器的基本结构
工作物质
激光输出
反射镜 激励装置 反射镜
2. 激光器的基本结构
激光器的分类： 工作物质：固体激光器，气体激光器，半导体激光器… 运转方式：连续激光器和脉冲激光器 激励方式：光激励，放电激励…
L/c
称为腔的寿命
平均单位时间内的光强损耗 c(1 R) / L
tc 1/ L / c(1 R)
谐振腔的 Q 值为
Q tc /
（品质因数）
5.光的振荡
自激条件
令工作物质长度等于腔长，即
lL
反射镜 M 1 M 2 的反射率为 R1 R2
M1
4.激光的纵模
纵模
腔长L
驻波
Lq
q
2
q qc / 2L
c q q 1 q 2L
腔的损耗、Q值、寿命
光子数随时间的变化
dn n dt
n n0e t n0et / tc
其中 若二反射镜的反射率为 单程时间为
tc 1/ R1 R2 R
自由电子激光器
s w
1 a
2
w
2
2
有质动力与电子束集群
• 自由电子激光基本物理过程的方程式
• d
ka a s w s sin dz dx
； d
ks d s 2 kw 2 (1 a w ) dz 2 dz
损失能量的电于数目略多于获得能量的 电子数目，从而使激光能量得到放大。 定义失谐参数
激光原理
——FEL(自由电子激光器)
湖北第二师范学院 物电学院
简介：
•
自由电子激光器（FEL），所产生激光束的光学性质不 传统激光器一样，具有高度相干、高能量的特点，其丌同 点在于其特殊的光源产生机制。传统利用气体、液体或固 体（如半导体激光器）作为激光介质的激光器，其激光产 生会使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。由于电子束可以在磁场中自由移动，故命 名为“自由电子激光器”。激光产生过程中没有传统意义 上的介质，没有能记得局限，因而丌需要实现粒子数反转， 因此，这种激光丌依赖于受激发射。自由电子激光器的核 心是电子源（通常是粒子加速器）不相互作用区（把电子 动能转换为光子能量）。
• 自由电子激光地
频谱可以远红外 跨越到硬X射线， 而绝大多数激光 器只能在固定地 波长下工作
自由电子激光器的特点与应用2
• 特点：自由电子
激光器可获得极 高的输出功率， 没有作为基质的 工作物质，就没 有工作物质内部 热损耗，工作物 质损伤等限制
• 美国利弗莫尔国家实
验室于1986年在FEL 装置上获得了 1GW 的峰值激光功率，最 高曾达到1.7GW 的峰 值功率，电子束的能 量转化成激光的效率 达到了43％
第一章 激光原理概论
激光产生的物质基础
黑体辐射的普朗克公式
黑体辐射大小
u dE v dVdv
（1）
uv单色能量密度，指在单位体积V内处于频率 v 处单位频率间隔内的
电磁辐射能量E。实验证明 uv 的大小 v与和温度T有关。
普朗克能量量子化假说
普朗克认为，原子中运动的电子可以视为一维的谐振子，它所吸收 或发射的电磁辐射能量不能连续化，只能以与振子的振动频率成正 比的能量作为基元，取它的整数倍。能量大小为：
主要是指电光变换器件，分成相非干线性 光光源学器和件非光 激参 光相量 产振 干生荡 高光次谐源波
光源器件的分类
激光的和频与差频
相干光源非激照线光明性固半等 染气光光体导 料 离体源学激体激 子 激器白光气激光 体 光件炽器体光器 激 器灯放光 器 激 激光电参光 光器灯量的 产光、振和 生源着性荧荡频 高光与 次重和器灯差 谐光高件性频 波的速非相 单脉干色冲光源显 照 信示 明 息光 光 处源 源 理着用白 对阴发 荧 液 等 本 场 气重光炽极光 光 晶 离 征 致 体比源显灯射二 显 显 子 场 发 放度线极 示 示 体 致 光 电 发 各 示、管管 器 器 管 发 灯 光 (种图E色(光 、 二 小 LL象)显 E灯 荧 极 型彩D的示（ 光 管 光)饱器固 灯 （ 源清和体 L晰E灯 度D度)）等、
激光产生的物质基础
爱因斯坦关系
则原子系统从吸收能量E2-E1后，单位时间内从E1 跃迁到E2 能级
的原子数为：
n B u n
12
12 v 1
处于E2上的原子，单位时间通过自发辐射与受激辐射跃迁至E1上
的原子数为：
n A u B n
21
清华大学固体物理：第一章 自由电子论
1 金属中自由电子的量子态
金属中的传导电子好比理想气体，相互之间没有相互作用，各自独立地在平均势场中运动，通常取
平均势场为能量零点。要使自由电子逸出体外，必须克服电子的脱出功，因此金属中自由电子的能态，
可以从在一定深度的势阱中运动的粒子能态估算，通常设势阱深度是无限的，设金属中自由电子的平均
势能为零，金属外电子的平均势能为无穷大，则金属中自由电子的薛定谔方程为：
(1) 在两次碰撞间隙，忽略给定电子和其它电子及离子的相互作用。没有外加电磁场时，电子作匀速直 线运动，在有外加电磁场时，电子受电磁力，运动遵从牛顿运动定律。忽略其它电子和离子产生的复杂 的附加场。在两次碰撞间隙，忽略电子－电子之间的相互作用称为独立电子近似；忽略电子－离子之间 的相互作用称为自由电子近似。
x21 x y22 y
0 0
d
2 3 z
dz 2
k z2 3
z
0
(1.2.4)
这样问题简化为三个一维无限深势阱中粒子的量子态。设金属体是边长为 L 的立方体，周期性边界条件
为：
x L, y, z x, y, z x, y L, z x, y, z x, y, z L x, y, z
i
0
0 1
2
2
(1.1.26)
介质的复数折射率定义为：
n~ ~r12 n i
(1.1.27)
这里 n 是通常的折射率， 是消光系数。在光学实验中，通常不直接测量 n 和 ，而是测量反射率 R 和
吸收系数。它们之间的关系为：
R
n n
12 12
2 2
(1.1.28)
低频时 1 ， ~r i r " ，因此：
H Ex
射线自由电子激光物理导论阅读札记
《射线自由电子激光物理导论》阅读札记目录一、内容概述 (2)1. 射线自由电子激光的简介 (3)2. FEL的发展历程与重要成果 (3)3. 本阅读札记的目的和结构 (5)二、射线自由电子激光的基本原理 (6)1. 自由电子与激光的相互作用 (7)2. FEL的产生机制 (8)3. FEL的能级结构和辐射特性 (10)4. FEL的相位锁定和频率稳定 (11)三、FEL的关键技术 (12)1. 相干光源的产生与调控 (14)2. 能量回收与放大 (15)3. 真空紫外光谱区域的实现 (16)4. 电子束的聚焦与同步 (17)5. 纵向和横向束流动力学控制 (18)四、FEL的应用领域 (20)1. 制造业应用 (21)a. 光刻胶制备 (22)b. 干涉仪光学元件制造 (23)2. 医学领域 (25)a. X射线成像技术 (26)b. 辐射治疗 (27)3. 科学研究 (29)a. 粒子加速器 (30)b. 量子计算 (31)五、未来发展趋势与挑战 (33)1. 技术进步与创新 (34)2. 应用拓展与深化 (36)3. 人才培养与团队建设 (37)4. 政策支持与产业发展 (39)六、结论 (39)1. FEL技术的总结与展望 (41)2. 对未来科学和技术的影响 (42)3. 呼吁持续关注和支持FEL研究与发展 (43)一、内容概述本书从激光的基本原理入手，详细阐述了激光的产生机制、特性及其物理基础。
在此基础上，重点介绍了射线自由电子激光的工作原理及其独特性。
与传统的激光器不同，射线自由电子激光利用自由电子的相对论效应产生激光辐射，其高亮度、高频率的特点使其在许多领域具有广泛的应用前景。
本书对射线自由电子激光的技术发展进行了全面分析，书中介绍了如何实现高能电子束的产生、调制与检测，以及如何将这些技术应用于构建高性能的射线自由电子激光器。
还对目前的技术挑战和未来发展方向进行了深入探讨。
本书重点介绍了射线自由电子激光在实际应用中的潜力，在材料加工、医疗科学、工业制造、通信等领域，射线自由电子激光都展现出了巨大的应用潜力。
自由电子激光
发展趋势
(1)向短波方向发展
由于技术上的困难，目前建成的自由电子激光器主要工作在远红外与红外区。随着技术的不 断发展，特别是加速器技术上的进步，FEL将不断向短波(真紫外、软x射线)方向推动。 (2)提高峰值功率及平均功率
这主要是出于军事目的(比如定向能武器和军事通信)。
(3)发展小型化专用装置及工业应用 当前自由电子激光发展的重要方向是发展小型、紧凑、实用、经济的专用FEL装置.美国、日 本等国的许多著名公司都在积极研究经济实用的专用FEL装置 (4)提高功率转换效率 FEL的能量转换效率还很低(10%一20% )，因此，无论从科学实验、工业应用还是军事目的， 都亟待提高总功率转换效率。最新研究表明，将射出的无用电子束送人减速装置回收其能量， 回收率可达95% 。
1
1 2
mc
2
m0c 2
自由电子激光装置的原理图
实际上是以电子的静止能量作单位来量度的电子能量.在一定 条件下由各点向z方向发射的电磁波可以具有相同的位相(即为相 干光)并能从电子束得到能量使电磁波的能量增加(受激放大).由全 反射镜和半反半透镜组成的谐振腔则使一部分电磁辐射往返运动， 受到反复放大，并从半反半透镜输出.下面我们就来分析一下实 现相干和受激放大的原理和条件.
dm c2 dt
，m= m0
• 特点:
• (l)单色，频率可调，调谐范围宽
• 自由电子激光是单色的相干光;波长可随电子束能量的变化而变化，而加速器输出 的电子束能量可以方便地在相当大的范围内改变，频谱可从远红外跨越到X射线.而 绝大多数普通激光器只能在固定的波长下工作
• (2)光束质量好
• 单色性好，谱线窄;高度偏振;它的光脉冲的时间结构也非常优异，既有Ps级的短脉 冲，也有几百微秒的长脉冲，脉冲的时间结构还可以根据不同需要加以改变.
第一章 激光基本原理--Part1
• 在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子 或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射 或吸收。 • 粒子数反转：能利用受激发射实现光放大 • 受激辐射光子与激励光子具有相同的频率、方向、 相位、偏振态，是相干光。
Einstein
1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受 激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢 原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖； "for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum" 1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实 现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而 获得诺贝尔奖。 "for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms"
1966年研制成了固体锁模激光器获得了超短脉冲。 1970年研制成了准分子激光器。 1977年研制成了红外波段的自由电子激光器 （FEL） 1984年研制出光孤子激光器（SL） 美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于1992年研 制出当时世界上最小的固体激光器，它在扫描电子显微 镜下看起来就像一个个微型图钉，其直径只有 2 至 10 微 米。在一个大头针的针头上，可以装下1万个这样的新型 半导体激光器。
DARPA built the megawatt-class Alpha HF chemical laser during the 1980s
An electron-beam pumped ArF laser experiment at Sandia National Laboratories (1975, Courtesy Sandia National Labs)
自由电子激光器ppt课件
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。
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。
三Байду номын сангаас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。
俄罗斯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，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3O厘米．
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 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 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 很高的输出功率。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 来实现激光波长的调谐。
四、自由电子激光器的发展
几个早期的研究成果： 1976和1977年，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。 1978年，美国海军研究实验室在红外区也取得成功。 1983年，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。 1984年，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 激光。
强辐射物理学与自由电子激光器
强辐射物理学与自由电子激光器强辐射物理学是一门研究电磁辐射与物质相互作用的学科，它在现代科学和技术中扮演着至关重要的角色。
而自由电子激光器（Free Electron Laser，简称FEL），则是强辐射物理学的重要研究对象之一。
自由电子激光器利用高能电子束与介质相互作用，产生连续或脉冲激光。
与传统的光学激光器相比，FEL能够提供高功率、高强度的激光束，并且可以产生连续的或几飞秒至亚飞秒的超短激光脉冲。
这使得FEL在科学研究、医学、材料加工等领域具有广阔的应用前景。
在强辐射物理学的研究中，自由电子激光器被广泛应用于材料科学和无损检测领域。
通过改变FEL的工作参数，如束团能量、入射角度等，可以实现对不同材料的深入研究。
例如，研究人员利用FEL对金属材料进行高能量密度物理和热力学的研究，以及对半导体材料中电子和晶格相互作用的研究，都取得了重要的突破。
除了材料科学，自由电子激光器在生物医学研究中也起到了关键作用。
传统的X射线可以提供关于生物分子结构的信息，但其深度结构和动态过程的研究受到限制。
而FEL则可以通过调整激光的频率和能量，将样品激发至高能激发态，并瞬时记录样品的反应。
这使得研究人员能够观察到生物分子的组装、解离和复杂反应过程，为研究生物分子的结构和功能提供了全新的方法。
此外，自由电子激光器还在材料加工、准相干探测、空间探测等领域展示了巨大的潜力。
例如，在微纳加工中，FEL的高能量密度和精确调控的特性使其成为制备微米级或纳米级结构的理想工具。
在科学探测方面，利用FEL的高相干性和高时间分辨率，可以实现对物质中微观态和动态过程的准全息拍摄，并深入探索物质世界的奥秘。
然而，自由电子激光器的发展仍面临一些挑战。
首先，FEL的设备和建设成本较高，需要大型加速器和复杂的光学系统。
其次，FEL在实际应用中还存在一些技术问题，如能量调谐范围和脉冲重复频率的限制。
在这些方面的进一步研究和技术创新，将有助于推动自由电子激光器的发展和应用。
自由电子激光物理导论读书札记
《自由电子激光物理导论》读书札记目录一、内容概述 (2)二、自由电子激光的基本原理 (2)1. 自由电子激光的起源 (4)2. 自由电子在磁场中的运动 (5)3. 自由电子激光的能级结构 (6)4. 自由电子激光的辐射机制 (7)三、自由电子激光的共振腔 (9)1. 简并四能级系统的共振腔 (10)2. 光学微腔与自由电子激光 (11)3. 特殊光学元件的应用 (13)四、自由电子激光的频率调谐 (14)1. 频率调谐原理 (15)2. 常用调谐方法 (17)3. 调谐范围的拓展 (18)五、自由电子激光的应用 (19)1. 在基础研究中的应用 (20)2. 在工业应用中的应用 (22)3. 在军事应用中的应用 (23)六、结论与展望 (24)一、内容概述自由电子激光是一种特殊类型的激光，其光源是由自由电子组成的。
这种激光的产生机制与传统的三能级激光器不同，自由电子激光利用电子在磁场中的相对论性效应来进行放大。
在自由电子激光中，电子束受到磁场约束，通过周期性加速和减速过程实现能量积累，从而产生相干光辐射。
本章节首先介绍了自由电子激光的基本概念和发展历史，包括激光器的分类、自由电子激光的特点以及它在各个领域的应用前景。
详细阐述了自由电子激光的物理原理，包括电子在磁场中的运动轨迹、能量转换过程以及激光器的稳定性分析。
书中还讨论了自由电子激光器的关键技术，如电子束的加速、聚焦和冷却技术，以及如何将这些技术集成到实际的自由电子激光系统中。
展望了自由电子激光的未来发展方向，包括可能的技术革新和新应用场景。
通过阅读这本书，读者可以更好地理解自由电子激光的工作原理和应用领域，为进一步深入研究或学习相关领域的知识打下坚实的基础。
二、自由电子激光的基本原理在开始探索自由电子激光的基本原理之前，我必须指出，这是一门深奥且充满挑战的学科。
阅读此部分时，我被其中精细的物理图像和复杂的概念所吸引，同时也被作者清晰的逻辑和深入浅出的解释所折服。
自由电子激光器的原理与优化
自由电子激光器的原理与优化自由电子激光器（Free Electron Laser，简称FEL）被誉为激光技术的未来之星，其原理和优化是当前激光技术研究的热点。
本文将就自由电子激光器的工作原理、优化方法以及应用进行深入探讨。
首先，我们来了解一下自由电子激光器的工作原理。
自由电子激光器利用高能电子束与介质或者高能光束发生相互作用而产生的激光辐射。
当高能电子束穿过一个周期性磁场时，电子束将发生波动导致能量重新分布，随后经过横向共振条件加速并放出光子能量，从而形成激光辐射。
相比于传统激光器，自由电子激光器克服了准相干光源的限制，能够产生高远红外到极紫外波段的强激光脉冲，具备广泛的应用潜力。
自由电子激光器的优化方法可以从多个角度进行探索。
一方面，我们可以通过优化加速器系统来提高自由电子激光器的效率和性能。
加速器的参数设计、束流控制和减速技术等都是影响自由电子激光器性能的关键因素。
通过采用新型的磁聚集系统和高效的束流匹配技术，可以提高加速器的整体效率和电子束的质量，从而使得自由电子激光器的输出能量和脉冲重复频率都得到提升。
另一方面，我们还可以通过优化自由电子激光器的光学系统来提高激光辐射质量。
自由电子激光器的光学系统主要由光学腔、光学分束系统和光束整形系统等组成。
在设计光学腔时，需要考虑共振条件的优化以及光子损失的最小化。
通过制备高反射率和低损耗的光学镜片，并且采用有效的光学透镜设计，可以使得自由电子激光器的光束模式更加稳定且紧凑，从而提高激光质量和功率输出。
此外，自由电子激光器的应用领域也具有广泛的前景。
在科研领域，自由电子激光器被广泛应用于原子分子结构研究、凝聚态物理研究以及生物大分子结构解析等方面。
通过利用自由电子激光器的高单色性和高功率特点，可以实现对微观世界的深度观测和精确操控。
此外，在工业领域，自由电子激光器也可以用于材料加工、微细加工和光学通信等方面，为工业生产带来革命性的变革。
然而，自由电子激光器面临着一些挑战和限制。
《自由电子激光器》课件
自由电子激光器的特 点
自由电子激光器是一种基 于自由电子束的激光器， 具有宽波长范围和高功率 特点。
自由电子激光器的原理
1
自由电子激光器的基本原理
自由电子通过与电磁波相互作用，获得能量，产生激光辐射。
2
自由电子激光器的工作原理
自由电子通过加速器获得高能量和高速度，然后通过光谱学装置实现能量交换， 最终产生激光。
3
高功率电子注的自由电子激光器
高功率电子注是实现高功率自由电子激光的重要技术，通过电子注和自由电子束 相互作用产生激光。
自由电子激光器的应用
科学研究中的应用
自由电子激光器在材料研究、 生命科学、天体物理等领域具 有重要的应用价值。
工业制造中的应用
医学领域中的应用
自由电子激光器在材料加工、 焊接、切割等工业制造过程中， 具有高效率和精确度。
总结
1 自由电子激光器的优势和不足
自由电子激光器具有宽波长范围和高功率特点，但成本较高且使用复杂。
2 自由电子激光器与其他激光器的区别
自由电子激光器利用自由电子实现激光辐射，与气体、固体或半导体激光器原理不同。
3 自由电子激光器的前景和挑战
自由电子激光器在科研、制造、医疗等领域有广阔前景，但面临技术难题和成本压力。
自由电子激光器在医学成像、 治疗和药物研发等方面有着广 泛的应用前景。
自由电子激光器的未来发展趋势
技术优势
自由电子激光器具有宽波长 范围、高功率、高光束质量 等技术优势，将不断提升其 应用领域。
市场前景
随着自由电子激光器在科研、 制造、医疗等领域的广泛应 用，市场需求将持续增长。
下一步发展方向
未来自由电子激光器的发展 方向包括增强功率密度、提 高稳定度和降低成本等。
自由电子激光器解读
Free Electron Laser（FEL）
自由电子激光器（FEL）
自由电子激光器的产生
自由电子激光器的工作原理 自由电子激光器的特点 自由电子激光器的应用
2
自由电子激光器的产生
自1960年世界上第一台激光器诞生以来, 随着激光器技术的研究和发展, 人们普遍希望激光器的功率、效率、和波长调谐范围能有大幅度地提高。 早在20世纪50年代初期, 就有人提出了自由电子受激辐射的设想。 1974年首次在毫米波段实现受激辐射 1976年和1977年，由于当时已经有了超导加速器和强磁场技术条件， 在美国斯坦福大学先后建成了自由电子激光放大器和自由电子振荡器。 1983年, 法国奥赛的电磁辐射应用实验室, 首次用储存环中运行的电子束 获得激光效应, 这台新型的自由电子激光器首次在可见光频段发射光子。 1984年, 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、波长调谐范围宽的激光。
2019/1/4
自由电子激光器的应用
自由电子激光特别适宜于研究光与原子、分子和凝固态物质的相互作 用，这类研究涉及到固体表面物理、半导体物理、超导体、凝聚态物理、 化学、光谱学、非线性光学、生物学、医学、材料、能源、通信、国防和 技术科学等多个方面。 原子核工程是自由电子激光器应用最有前途的领域之一，由电子激光 器在此应用上的最大优点是高功率、宽可调光谱范围。因此，可应用于物 质提纯、受控核聚变、铀、硼、锶和钛等元素的同位素分离和等离子体加 热等。
(2)自由电子激光器最吸引人的地方是它能产生很高的功率。平均功率达 几千瓦，数兆瓦的高平均功率也有可能达到。自由电子激光器由于没有中 间能量转换环节，故其效率很高。
2019/1/4
《自由电子论》课件
自由电子的散射和碰撞
自由电子在固体中的运动受到晶格 振动的影响，会发生散射和碰撞
散射和碰撞也会影响自由电子的传 输和输运性质
添加标题
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添加标题
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散射和碰撞会导致自由电子的能级 发生变化，影响其分布
散射和碰撞是自由电子论中重要的 物理过程，对理解固体中的电子行 为具有重要意义
Part Four
金属导电的应用： 金属导电广泛应 用于电力传输、 电子设备等领域
自由电子的应用前景
半导体材料：自由 电子在半导体材料 中的运动和相互作 用，是半导体器件 工作的基础。
超导材料：自由电 子在超导材料中的 运动和相互作用， 是超导现象的基础。
磁性材料：自由电 子在磁性材料中的 运动和相互作用， 是磁性现象的基础 。
子云
自由电子的浓度和能量分布
自由电子的浓度：在金属中，自由电子的浓度与温度和压力有关，温度越高，浓度越大。 自由电子的能量分布：自由电子的能量分布遵循费米-狄拉克分布，能量越高，电子数越少。 自由电子的能级：自由电子的能级由电子的波长和能量决定，能级越高，电子的波长越短。 自由电子的散射：自由电子在金属中会发生散射，散射会导致电子的能级和浓度发生变化。
自由电子在电磁场 中的行为
自由电子在电场中的行为
自由电子在电场中受到电场力的作用，产生加速度，从而改变运动方向和 速度。
自由电子在电场中运动时，会与电磁波相互作用，产生能量交换和散射等 现象。
自由电子在电场中可以表现出波动性和粒子性，其行为与经典粒子不同， 需要用量子力学描述。
自由电子在电场中的行为与材料性质、温度、电磁波频率等因素有关，可 以用于研究物质的光电性质和电子输运等问题。
Part Three
自由电子论1课件
4.2 量子自由电子论（Sommerfeld） ：
一. 金属中自由电子的运动状态 二. 能态密度 三. 基态能量 四. T>0K 时电子的分布和能量
0.983 1.833 15%
Cu：fcc a 3.61
金属中 r 1.28
离子实占体积的 75%
数据取自Kittel书
哪里有电子的自由?! 所以当时是大胆假设
电磁学中曾给出按Drude自由电子模型导出了电导率表达 式，解释了欧姆定律：
ne2 l
2mv
这里， l 是平均自由程，即两次碰撞之间的平均行程，
说明：
★ Blakemore: Solid State Physics (1985) 一书在晶体结构、晶格振 动之后，以金属中的电子为第3章标题，统一平等的论述了：金属的特征； 经典自由电子论；量子自由电子论；固体的能带；电子运动动力学；超导 等6节。突出了自由电子论在解释金属性质上的历史作用和现实意义，把能 带论和它的关系讲的比较清晰，有利于理解。
既然Drude 模型在定性方面是正确的，那么问题的来源就是 不能把电子气看作是经典粒子，不应服从 Maxwell-Boltzman 经 典统计规律，而应该服从量子统计规律。1927年，Sommerfeld 应用量子力学重新建立了自由电子论，正确地解释了金属的大多 数性质，使自由电子论成为解释金属物理性质的一个方便而直观 的模型。虽然以后能带论以更加严格的数学处理得到了更加完美 的理论结果，但在很多情形下，我们仍然乐于方便地使用自由电 子论来讨论金属问题。
这个无法调和的矛盾在量子力学诞生后才得以正确解决。服 从量子规律的自由电子即可以同时和谐的解释上述性质。
自由电子激光
自由电子激光自由电子激光自由电子激光的发展背景如何达到上述目的，使用电子产生相干辐射，是科技领域长期探讨的课题。
从二次世界大战时期发展起来的微波管，如磁控管、速调管、行波管等等，都可以产生相干电磁辐射，并且一直在向短波长、高功率的方向推进。
但它们受结构尺寸的限制，很难将波长缩短到光波波段。
60年代发明的常规激光基于原子、分子的能级越迁的原理，是相干光源的划时代的发展，它推动了人类的科学研究和生产活动，做出了极为重要的贡献。
但它一般说来不便调变波长，而且功率受工作物质发热的限制。
同步辐射利用电子作圆周运动而产生连续谱的辐射，但广谱辐射经分光后，单色强度却大受限制，而且是非相干光。
同步辐射装置几十年中经历了三代的发展，由于它有广泛的应用，世界上兼用和专用的装置已有70余台，总投资估计逾10亿美元。
为了更好地满足应用的要求，它正在向更短脉冲、更好相干性、更高耀度的第四代发展。
下面将要介绍的自由电子激光（以后简称FEL），正是具有这些特征的崭新的光源，所以FEL也被称为第四代同步辐射。
在光波范围工作的FEL多数使用射频电子直线加速器提供电子来源。
它的工作原理可简述如下。
由加速器产生的高能电子经偏转磁铁注入到极性交替变换的扭摆磁铁中。
电子因做扭摆运动而产生电磁辐射（光脉冲），光脉冲经下游及上游两反射镜反射而与以后的电子束团反复发生作用。
结果是电子沿运动方向群聚成尺寸小于光波波长的微小的束团。
这些微束团将它们的动能转换为光场的能量，使光场振幅增大。
这个过程重复多次，直到光强达到饱和。
作用后的电子则经下游的偏转磁铁偏转到系统之外。
以上是FEL产生过程的比较形象的描述。
从物理学角度看，这个过程就是电子对辐射的受激康普顿散射的结果。
这里一个最为关键的环节是电子要聚集成许多短于光波波长的束团。
因为，只有这样它的辐射才是相干的，而FEL的技术难度，恰恰也正在于此。
电子束性能必须十分优越（能量分散小，方向分散小，时间稳定度高……），同时流强尽可能大，才能达到要求，显然，FEL工作波长愈短，技术难度也就愈大。
项目名称：新概念、高效率X射线自由电子激光(FEL)物理与
项目名称：新概念、高效率X射线自由电子激光（FEL）物理与关键技术研究首席科学家：赵振堂中国科学院上海应用物理研究所起止年限：2011.1至2015.8依托部门：中国科学院二、预期目标对全相干、高效率的X射线FEL的各种新概念和技术途径进行深入的探索研究，跟上国际FEL领域发展的最前沿，力争取得具有原创性的成果，形成有特色的、先进的X射线FEL方案，为发展超快、高亮度、高效率、完全相干的第四代光源作出贡献；从理论与实验两个方面掌握全相干、高效率FEL的相关关键技术，如ERL、外种子谐波型FEL（级联HGHG、EEHG等）、超低发射度的高亮度注入器等，为我国未来建造先进的X射线FEL奠定技术和人才基础。
五年中，本项目将达到以下预期目标：(1) 提出和研究XFEL的新概念和关键物理问题，完成级联HGHG、EEHG、XFELO 及ERL技术应用于X射线FEL的理论及可行性研究，在此基础上给出实现全相干、高效率、高性价比、先进的X射线FEL的优化方案；(2) 在深紫外自由电子激光装置上实现两级级联HGHG的原理验证实验，并开展相关的实验研究，全面掌握级联HGHG自由电子激光的辐射特性；(3) 在深紫外自由电子激光装置上实现基于EHGHG以及EEHG的自由电子激光运行模式的验证实验，并开展深入的实验研究；(4) 在对光阴极材料、光阴极注入器结构进行系统研究的基础上，研制能够满足XFEL低发射度要求, 发射度小于1um,具有创新结构的光阴极注入器；（5）研制出满足ERL高平均流强要求的射频超导腔，Q值不小于2x1010，对强流下高阶模的影响进行分析并找到吸收HOM功率的有效途径，设计并研制出适用于ERL的超导加速单元；（6）集成ERL实验装置，开展各种相关实验研究，全面掌握ERL技术，为基于ERL的XFEL打下良好的基础；（7）通过实现上述目标，培养出5-6名FEL及ERL领域的青年学术带头人，培养20名以上博士研究生。
第一章物理学导论精品PPT课件
2 、国际单位制(SI)
基本量:长度 质量 时间 电流 温度 物质的量 光强度
单 位: m kg s A K mol
cd
导出量: 速度 加速度 力 动量 …
单 位: m/s m/s2 N kg · m/s …
辅助单位: 平面角 立体角
单 位： rad sr（球面度）
辅助单位可以参与导出单位，如角速率 rad/s
3、 量纲式
（1）.量纲 量纲：表示一个物理量由基本量的幂次组合的式子.
基本量选定后,导出量的量纲可由基本量的量纲的组 合而得.
在国际单位制中,表示力学量A的量纲式为
dim A LpMqTr p、q、r 为量纲指数
参考书目
1、大学物理学 张三慧 清华大学出版社 2、普通物理学教程 力学 漆安慎 杜婵娟 高教出版社 3、力学基础学习指导 漆安慎 杜婵娟 高教出版社 4、普通物理学（第五版） 第一册 程守洙 高教出版社
第一章 物理学导轮
没有今日的基础科学, 就没有明日的科技应用, 可以想 象, 我们现在的基础科学将怎样地影响21世纪的科技文明.
3.使用范围：宏观低速
4.数学工具 微积分知识和矢量知识
5.力学在物理学中地位 ⑴力学是最早发展起来的学科 ⑵经典力学是整个物理学大厦的基石
㈡学习力学的方法及要求
⒈必须改变中学形成的完全依赖教师的学习方式 ⒉教师课堂上讲授的基本概念、基本规律、基本
方法，必须理解准确，掌握牢固，运用灵活。 ⒊认识和运用牛顿力学的关键
近代物理学(两大基石:量子力学及相对论)
「二十世纪」以后发展的物理称为近代物理。 1900年普朗克(德国人)提出量子论，经20多年发展成量子力学。 1905年爱因斯坦提出狭义相对论。 近代物理以研究对象作为分类依据
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自由电子激光物理导论贾启卡中国科技大学,国家同步辐射实验室前言自由电子激光(FEL)这一新型光源自从上世纪70年代诞生以来就以其波长连续可调，时间结构优异可控，光束质量好等突出优点一直受到科学界的广泛关注，尤其是近年来自由电子激光向X波段的迅猛发展，其巨大发展潜力和重大应用前景更是引起国际上的高度重视。
中国科技大学“核科学技术”学科点从2001年开始为研究生开设《自由电子激光物理导论》课，本讲义即是此课程的教材，以供可能从事自由电子激光相关研究、或进行自由电子激光应用工作的研究生入门学习，也可供该领域的研究人员参考阅读。
但由于作者工作繁重，时间紧促，本讲义的编著写写停停，一直未整理好，目前这个稿子仍在编写中，仅供上课研究生学习参考。
本课程介绍自由电子激光的基本理论，物理机理，相关技术与实验，以及发展前沿。
主要内容为：第一章，介绍自由电子激光的特点，历史及应用；第二章，讲述自由电子激光的运行原理，基本概念；第三章，介绍描述自由电子激光的基本方程及其意义，分析电子束光场相互作用的过程，包括：电子（轨迹; 能量;位相）方程；光场方程；电子分布函数方程；对一维情况求解自由电子激光方程，给出光场的低增益和高增益;分析由电子初始群聚引起的光场发展；自发辐射与相干自发辐射等。
第四章，介绍自由电子激光中的物理效应，纵向和横向的三维效应，包括电子beta振荡；电子空间电荷效应的影响；脉冲滑移效应；边带不稳定性；高次谐波；光场模式；光导效应等。
第五章，讲自由电子激光实验及技术有关内容，主要为波荡器（包括一般波荡器，光学速调管；变参数波荡器，横向梯度波荡器），非理想电子束影响，及带波导的自由电子激光器等。
作为自由电子激光关键技术之一的加速器技术部分内容较多也较独立，详述已超出本课程范围，故在本章中只用一节作简要介绍。
第六章，自由电子激光基本运行模式，包括FEL振荡器，自放大自发辐射（SASE），（谐波）放大器。
第七章，介绍自由电子激光研究发展前沿：包括:高功率自由电子激光和短波长自由电子激光的发展态势，研究热点，一些新思想，新技术等。
本课程着重讲自由电子激光的基础同时充分反映前沿发展，重点在于介绍有关的基本概念和物理图象；由于同时希望本教材能用于研究参考，因而涉及不少数学公式，但力求简练，一些复杂繁琐的数学推导作为附录供希望进一步深入研究的学生参考；讲述方式尽量深入浅出，着重讲物理并注重联系实验，努力揭示物理参数间的相互关系和影响；尽量采用直接物理量，少引入复合参变量；注意理论的物理内涵，近似条件与适用范围，参数的数量级概念。
要求本课程的对象学过高等数学和普通物理，电动力学，考虑到不同基础的同学，没有采用分析力学哈密顿量的方法。
通过学习本课程，希望学生对自由电子激光这一仅有三十多年历史的新型光源总体全貌有一概要的了解，掌握重要的基本概念。
自由电子激光学科交叉性，前沿性强，涉及内容广泛，并仍在继续发展中。
一方面本讲义中有相当多部分的内容及处理方法出自作者的研究成果及个人心得，另一方面也并非所有的内容作者都十分熟悉，不足之处在所难免，不当之处也会有之。
诚恳地希望读者和自由电子激光物理界同仁批评指正。
贾启卡2013年9月目录第一章，引言·······························································································§1-1自由电子激光的特点··········································································§1-2自由电子激光历史与国内外发展····························································§1-3自由电子激光的应用············································································第二章，自由电子激光工作原理··········································································§2-1电子和电磁波能量交换·······································································§2-2色散关系························································································§2-3自发辐射························································································§2-4受激辐射························································································§2-5相对于其它光源的自由电子激光····························································第三章，自由电子激光基本方程··········································································§3-1电子轨迹·························································································§3-2能量方程···························································································§3-3 电子位相方程····················································································§3-4 光场方程························································································§3-5光场增益························································································§3-6电子初始群聚产生的辐射光场·································································§3-7电子分布函数方程···············································································第四章，自由电子激光中的物理效应··································································§4-1 电子 振荡····················································································§4-2 空间电荷场影响··········································································§4-3 脉冲滑移效应················································································§4-4边带不稳定性··············································································§4-5 高次谐波辐射·······················································································§4-6 光场模式······················································································§4-7 光导效应·····················································································第五章，自由电子激光实验装置······································································§5-1 波动器·························································································§5-2 光学速调管················································································§5-3 变参数型波动器··············································································§5-4 横向梯度波荡器·································································§5-5 带波导管的FEL····································································§5-6 用于自由电子激光的加速器·································································§5-7 电子束品质影响及要求·······································································第六章, 自由电子激光基本运行模式§6-1 FEL振荡器········································································§6-2自放大自发辐射(SASE)FEL·······························································§6-3谐波放大FEL··················································································第七章,自由电子激光研究发展前沿································································§7-1高功率自由电子激光·······································································§7-2窄带宽X-FEL ······························································§7-3超短脉冲FEL·················································································§7-4自由电子激光小型化···················································································§7-5挑战与希望·····················································································附录第一章，引言§1-1自由电子激光的特点“激光”一词在英文里是“LASER”，是“Light Amplification by Stimu lated Emission of Radiation”的缩写，意为“受激发射的辐射光放大”。