自由电子激光及其发展情况介绍
自由电子激光器
自由电子激光器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 电子受激辐射的设想曾于1951年由Motz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。 1974年斯坦福大学的Madey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 了受激辐射；1976年Madey小组第一次实现了激光放大， 1977年4月斯坦福大学Deacon等人才研制成第一台自由 电子激光振荡器。
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。
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，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。
激光器的发展历史及现状ppt课件
远红外激光器
X射线激光器
近紫外激光器
4.主要用途
由于激光器具备的种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密
测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域 引起了革命性的突破。激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距 等方面外，多种激光武器和激光制导武器也已经投入实用。
子，并同时放出巨大辐射能量。由于激光能量可控制，所以该过程称
为受控核聚变。
5.世界激光器市场发展现状
世界激光器市场可划分为三大区域：美国（包括北美）占 55%，欧州占 22%，日本及太平洋地区占 23%。在世界激光市场上日本在光电子技 术方面占首位，美国占第二位；在激光医疗及激光检测方面则美国占 首位；
良好效果。
2、激光测距。激光作为测距光源，由于方向性好、功率大，可
测很远的距离，且精度很高。
பைடு நூலகம்
3、激光通信。在通信领域，一条用激光柱传送信号的光导电缆
，可以携带相当于2万根电话铜线所携带的信息量。
4、受控核聚空中的应用。将激光射到氘与氚混合体中，激光所
带给它们巨大能量，产生高压与高温，促使两种原子核聚合为氦和中
然而上述的微波波谱学理论和实验研究大都属于“纯科学”，对于 激光器到底能否研制成功，在当时还是很渺茫的。
2.3成熟阶段
1954年，美国物理学家汤斯终于制成了第一台氨分子束微波激射器，成 功地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器的先例,但所 研制的微波激射器只产生了1.25厘米波长的微波，功率很小。
2.激光器的发明
2.1历史由来
激光器的诞生史大致可以分为几 个阶段，其中1916年爱因斯坦 提出的受激辐射概念是其重要 的理论基础。这一理论指出， 处于高能态的物质粒子受到一 个能量等于两个能级之间能量 差的光子的作用，将转变到低 能态，并产生第二个光子，同 第一个光子同时发射出来，这 就是受激辐射。
软线和硬线自由电子激光简介
1.调研上海软线和硬线自由电子激光参数，与在国际上同类光源作比较？软线SXFEL装置的建筑总长532ｍ，由直线加速器隧道、束流分配厅、波荡器大厅、光束线和实验大厅组成。
SXFEL 采用常温直线加速器产生高能量、低发射度、低能散的电子束团，束团进入下游波荡器段生成FEL 辐射。
运行模式包括自放大自发辐射（SASE）和外种子模式，后者主要包括高增益高次谐波产生（HGHG）]，回声型谐波产生（EEHG），以及HGHG 和EEHG 各种不同的级联组合。
软线装置长度：532m，能量：0.84-1.5GeV 波长：2-10nm硬线装置长度：3100m，能量：8GeV ,波长：0.05-5nm目前，国际上已有7台X射线自由电子激光装置建成，并投入运行。
上海软硬X射线自由电子激光装置将会是世界上最先进，能量最高，分辨率最好的自由电子激光装置。
2.H2，O2，I2分子的振动周期是多少？3.阐述HHG光源与FEL光源的区别？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。
高次谐波(HHG)促使亚飞秒量级的相干极紫外(EUV)辐射的发生。
极紫外辐射发光是源自于强激光场与原子或分子的相互作用。
强场使得库伦壁垒发生弯山，能够使一个受约束的电子波包穿过壁垒，离开母离子。
当激光电场发生反转时，波包获得反向加速度，向母离子运动，并与母离子重新结合，激射出一个极紫外光子。
这个过程每一个激光周期内发生两次，因此能够获得飞秒脉冲辐射序列。
对于激光脉冲持续时间仅为几个周期的情形，高能量光子辐射可以视作发生在一个时序内，从面可以产生独立的飞秒脉冲(IAP).区别：自由电子激光依靠高速运动的电子在周期性磁场中的电磁相互作用向外辐射电磁波，可以产生连续可调的激光。
自由电子激光器
Efficiency and Spectrum Enhancement in a Tapered Free-Electron Laser Amplifier
Report the first experimental characterization of efficiency and spectrum enhancement in a laser seeded free-electron laser using a tapered undulator. Output and spectra in the fundamental and third harmonic were measured versus distance for uniform and tapered undulators. With a 4% field taper over 3 m, a 300% (50%) increase in the fundamental (third harmonic) output was observed. A significant improvement in the spectra with the elimination of sidebands was observed using a tapered undulator. The experiment is in good agreement with predictions using the MEDUSA simulation code.
2006年10月31日，美国能源部托马斯·杰弗逊 国家加速器实验室的科学家宣布，他们创造了 自由电子激光器输出功率14.2千瓦的最高记录， 激光波长达1.61微米，属于红外线范围。此激 光器具有十分广泛的应用范围，既可用于军事 （如舰载反导弹防务）和制造技术，也能用于 支持化学、物理、生物和医学研究。
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.
激光武器的发展与现状
激光武器的发展与现状一、激光武器特点激光武器是一种定向能武器，它利用强大的定向发射激光束直接毁伤目标或使之失效。
用高能量，大功率的激光束代替常规子弹攻击目标物体，是由于激光武器具有：（1）高速度，激光以光速进行传输，从激光器出口到目标的时间可以不计，争取了作战时间。
（2）反应灵敏，激光器射出的光束质量近于零，可在短时间内对不同方向的来袭目标进行打击。
（3）命中精度高，激光武器是将能量汇聚成很细的光束准确的对准某一方向射出。
（4）杀伤力可控，可通过调整和控制激光武器发射激光束的时间或功率以及射击距离来对不同目标分别实现非杀伤性警告，功能性损失，结构性破坏.(5)抗电子干扰能力强，激光武器射出的是激光束，现有的电子干扰手段对其不起作用。
基于这众多优势，激光武器将在反导，反卫星和破坏敌方信息系统中得到广泛应用。
二、杀伤原理激光武器之所以有如此巨大的杀伤力，主要在于它的高能量和高功率。
一般通过以下三步对目标物体实行毁灭性的破坏。
第一：热作用破坏，只要激光功率足够高，被激光照射的目标物体局部会瞬间汽化，当持续汽化很强烈时，材料蒸汽高速喷出，同时将部分凝聚态颗粒或液滴一起冲刷出来，从而造成凹陷甚至穿孔。
第二：力学破坏，蒸汽高速喷出时，对目标物体会产生强大的反冲作用，这使得在目标物体内部形成激波，激波传到目标物体的背面，产生强大的反射。
外表面的激光与背面的激光对目标物体形成前后夹击，使目标物体变形破裂。
所以即使没被烧蚀摧毁，也会因为受力学破坏而严重影响其技术性能。
第三：辐射破坏：当激光照射到目标物体表面时，被汽化的物质会被电离成等离子体云，等离子体云辐射出紫外线和X射线，对目标物体造成损伤。
三、激光武器发展现状激光武器经过不断的开发和研究，目前已有了重大的进展，低功率激光武器已经开始装备部队，高功率激光武器也日渐成熟。
按不同分类方法可将激光武器分为不同类型，从作战性能上可分为低能激光武器和高能激光武器；按激光生成方法可以分为化学激光器、固体激光器、液体激光器和自由电子激光器等，其中激光器是激光武器的关键技术部分。
自由电子激光器
2016/5/1
参考资料：
激光网：/ 《激光原理》第六版 《高等半导体物理学》 第二版 周炳琨 李福利 国防工业出版社 高等教育出版社
王路威.自由电子激光器的发展及其应用.成都大学学报(自然科学版),2005
自由电子激光器
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。
2016/5/1
自由电子激光器的特点
(1) 传统的激光器是由电子在原子或分子中确定的能级间跃迁产生光发射实 现的，而自由电子激光器没有固有能级的局限性, 它的输出波长在很大范围 内连续可调。自由电子激光器可以工作在整个电磁谱区，可在普通激光器 不能振荡的短波长范围(真空紫外、软X射线)内产生振荡。现在多数与应用 相关的自由电子激光器都在近红外、中红外、近紫外光谱波段工作，自由 电子激光器也有希望成为远红外和亚毫米波段辐射的重要可调辐射源。
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。
电子直线加速器中的自由电子激光技术研究
电子直线加速器中的自由电子激光技术研究激光技术是现代科技领域中一项极其重要且广泛应用的技术。
自由电子激光作为一种高精度、高能量、高亮度的激光源，近年来受到了越来越多的关注和研究。
在电子直线加速器中，自由电子激光技术得到了广泛的研究和应用。
本文将讨论电子直线加速器中的自由电子激光技术的研究进展及其在科学研究和工业领域中的应用。
首先，我们来了解一下电子直线加速器。
电子直线加速器是一种通过加速带电粒子（通常是电子）的设备，它能够将粒子加速到极高的速度。
这种设备由一系列的加速腔体和电磁铁组成，通过不断的加速和减速使粒子达到所需的能量和速度。
电子直线加速器是一种非常重要的粒子物理实验设备，它在核物理、高能物理以及生物医学等领域有着广泛的应用。
自由电子激光是利用电子直线加速器发射出的高速自由电子与光子的相互作用而产生的激光。
自由电子激光的特点是单色性好、相干性高且脉冲宽度短，这使得它可以在很多科学研究和工业应用中发挥重要作用。
在电子直线加速器中生成自由电子激光需要先将电子加速到足够高的能量，然后将高能电子束与光子束相互作用，从而产生激光辐射。
这种方法被称为自由电子激光。
目前，电子直线加速器中的自由电子激光技术已经取得了许多令人瞩目的成果。
例如，利用自由电子激光可以进行超快动力学研究，例如观察和控制分子中的化学反应过程。
自由电子激光的高亮度和短脉冲宽度使得科学家能够观察到原子和分子在极短的时间尺度上的运动和相互作用，从而揭示化学反应的机理和动力学过程。
这对于设计和改进化学反应以及研究材料科学具有重要意义。
另外，自由电子激光还可以应用于生物医学领域。
通过将自由电子激光直接照射到细胞或组织上，可以产生局部热效应，从而实现对疾病组织的精确治疗。
与传统的激光热疗相比，自由电子激光可以提供更高的能量和更好的穿透性，从而实现更精确的治疗效果。
此外，自由电子激光还可以用于影像学研究，例如通过对生物样本进行扫描获得高分辨率的影像，加深对生物组织结构和功能的理解。
自由电子激光器
自由电子激光器的工作原理自由电子激光器是加速器和激光技术的组合。
其主要技术组成是电子加速器、磁摆动器(大多数自由电子激光器的研究都采用静磁摆动器)、光子光学系统和各种监测、控制系统。
自由电子激光器采用的是射频直线加速器、电子储存环、静电加速器、感应直线加速器等脉冲装置。
从加速器引出的高能电子束相当于激光工作物质，因而电子束质量的好坏直接影响着整个激光器性能。
相对论电子束从激光共振腔的一端注入经过摆动器时，受到空间周期性变化的横向静磁场作用。
磁场由一组“摆动器”或“波荡器”的磁铁产生。
磁铁以交替极性方式布置，磁场为螺旋式或平面式。
在该磁场作用下，电子束在磁摆动器中一边前进，一边有横向摆动。
例如，周期性磁场在水平面内，电子则周期性地上下摆动。
电子的横向及运动方向的改变，表明电子有加速度。
根据电磁辐射理论，电子有加速就必然会辐射电磁波。
这种带电粒子沿弯曲轨道运动而辐射电磁波，被称为同步辐射。
同步辐射有一个比较宽的频率辐射范围，但缺乏单色性和相干性。
这种自发辐射一般不很强，峰值电流100A，脉宽几皮秒的50M ev能量电子束在典型摆动器中将产生1 W 量级峰值自发辐射功率。
在磁场的作用下，电子受到一个作用力而偏离直线轨道，并产生周期性聚合和发散作用。
这相当于一个电偶极子，在满足共振关系的情况下电子的横向振荡与散射光场相互耦合，产生了作用在电子上的纵向周期力——有质动力。
在有质动力的作用下，电子束的纵向密度分布受到调制。
于是，电子束被捕获和轴向群聚。
这种群聚后的电子束与腔内光场(辐射场)进一步相互作用，会产生受激散射光，使光场能量增加，得到具有相干性的激光。
这是通过自发辐射光子和电子相互作用的反馈机制，把自发辐射转换成窄带相干辐射。
而且此辐射电磁波在电子运动的方向上强度最大。
因此，摆动器促成了自由电子激光器中电子和光子间的相互作用。
在电子通过摆动器后，利用弯曲磁铁把电子和光分离。
凡是能使自由电子产生自发辐射的各种机理几乎都可以产生受激辐射，如受激康普顿辐射、受激韧致辐射、受激切伦柯夫辐射、受激喇曼散射、受激电磁冲击辐射等等。
御波逐光——中物院十所自由电子激光研究发展简史
御波逐光——中物院十所自由电子激光研究发展简史2017年8月29日，高平均功率太赫兹自由电子激光装置（CTFEL装置）首次饱和出光，2020年8月，装置饱和出光三周年。
我们撰写此文，回顾十所自由电子激光研究发展史，致敬科研前辈们，展望十所御波逐光的接续奋斗之路。
从梓潼乡间发出的夺目“闪光”在距离四川梓潼县城1小时车程的玛瑙镇大埝村，掩映在楼群内部的一间贯通至楼顶的巨大房间内，曾安装着当时亚洲最大的“闪光-I”强流脉冲电子束加速器。
在核物理学家、两弹元勋王淦昌的倡议下，“闪光-I”从1976年开始设计，到以后的加工、安装、调试，团队艰苦奋斗了多年，在有关部门和单位的协作与支持下，终于在1981年建成，1983年顺利通过了国家鉴定。
”后来该项目获得国家科技进步一等奖。
邓稼先（右二）王淦昌（右四）在闪光-I号测量现场指导张爱萍为闪光-I号题词闪光-I鉴定会全体代表合影在1983年3月15日，“闪光-I”6MV鉴定会后，各级领导专家和科研人员一起拍了合影照，其中第一排坐有朱光亚、邓稼先、王淦昌、陈能宽等一批“两弹元勋”。
FEL被列为“863计划”重点研究项目自由电子激光（FEL）是一种非常理想的相干光源，它的主要特点是功率高、光束质量好、频率（波长）可设计，在大范围内连续可调、工作机制不受介质击穿限制，可以做到极高的功率输出。
FEL在科研、工业生产、医学、生物工程和军事等各个领域有广阔的应用前景。
上世纪八十年代至九十年代，世界范围内只要有研究条件的大学和实验室都开展了FEL研究。
在绵阳两弹城，两弹元勋邓稼先先生故居的墙上，有两份他生前的手稿。
其中有一封写到“来文我看过，基本可以了，但是要和星球大战，激光，FEL等高技术联系起来”。
在生命的最后时刻，发展自由电子激光技术还是邓稼先放不下的牵挂。
这份手稿的落款日期，是1986年的3月28日，距离邓稼先因病去世只有不到四个月的时间。
1986年3月，面对世界高技术蓬勃发展、国际竞争日趋激烈的严峻挑战，国家开始863计划，FEL研究被列为“863计划”重点研究项目。
浅谈我国自由电子激光技术发展战略
浅谈我国自由电子激光技术发展战略随着科技的快速发展，自由电子激光技术成为了当今最有潜力的前沿技术之一、自由电子激光以其独特的优点，如高功率、高亮度、波长可调、单色性好等，被广泛应用于等离子体物理研究、材料科学、生物医学领域等。
我国作为一个发展中大国，当然不能落后于世界先进国家。
因此，我国需要制定自己的自由电子激光技术发展战略。
首先，我国应该加大自由电子激光技术的研究力度。
目前，我国在自由电子激光技术方面的研究相对滞后，与发达国家相比有较大差距。
因此，我国应该投入更多的资金和人力资源，加强自由电子激光技术的基础研究。
通过建立国家重点实验室、研究中心等科研机构，汇聚国内外优秀的科研人才，提高我国在自由电子激光技术领域的研究水平。
其次，我国应该加强自由电子激光技术的应用研究。
自由电子激光技术具有广泛的应用前景，可以在等离子体物理研究、材料加工、医学治疗等领域发挥重要作用。
因此，我国应该积极开展相关领域的研究，并在实际应用中不断改进和创新。
与此同时，我国还应加强自由电子激光技术与其他前沿技术的融合研究，推动科技创新，为经济社会发展贡献力量。
另外，加强自由电子激光技术的人才培养是一个非常重要的环节。
目前，我国自由电子激光技术领域的人才相对匮乏，这给了我们制定发展战略提供了机遇。
我们应该加大对自由电子激光技术的人才培养力度，通过设立相关专业、调整课程设置等方式，培养更多的专业人才。
同时，建立与高校、科研院所等合作机制，加强产学研结合，提高人才培养质量和效益。
最后，加强自由电子激光技术的国际合作也是非常重要的。
在全球化的今天，科技创新已经变为了一个全球合作的趋势。
我国应积极融入国际科技创新体系，加强与发达国家和地区的科技交流与合作。
通过与国际一流机构的合作，我国可以借鉴其经验和技术，提升自身的研究水平和实力。
同时，我国也应该积极主导国际自由电子激光技术领域的发展，提出自己的技术标准和规范，为行业的发展起到引领作用。
X射线自由电子激光
X射线自由电子激光光源是推动人类文明发展的利器，光源的每一次进步都极大地增强了人们认识和改变未知世界的能力并有力地推动了科学和技术的发展。
X射线光源是人们观测物体内部结构、在分子与原子尺度上探测与认识物质内部微观构造与动态过程的不可替代的尖端装备。
17世纪初人类发明了望远镜和显微镜，利用电磁波中的可见光部分（波长400 - 760 nm），使认知的触角延伸到了极广的宇宙和极小的微观世界，为人类认识物质世界及其起源和演化打开了大门。
19世纪末人类发现了X射线、发明了X光机，从此认知世界的视野扩展至肉眼无法看到的物质内部和原子分子等微观世界，X射线的诊断和应用以及治疗技术也得到了持续不断的发展。
但是，那时X射线光源的亮度和相干性还十分有限，这在很大程度上成为了限制其在科学研究上实现更广泛应用的瓶颈，这种情况一直到20世纪中叶同步辐射的发现和同步辐射X光源的应用才发生彻底改变。
在此过程中，20世纪60年代人类发明了激光，一种前所未有的高亮度、全相干的光源。
半个多世纪以来，激光广泛应用在人类社会的各个方面，并且在科学前沿研究上发挥了巨大的促进作用，大大提高了实验观测的时间和空间分辨率。
然而，由于受到放大介质的限制，常规激光却很难向短波长的真空紫外和X射线的波段推进。
21世纪初，基于电子直线加速器的X射线自由电子激光在美国SLAC实验室研制成功，开辟了X射线光源及其应用的全新时代。
早在19世纪末，经典电磁理论就预言相对论电子在改变运动方向时会沿切线方向辐射电磁波。
1947年，人们在美国GE公司的一台70 MeV同步加速器上观察到了这种电磁辐射，也因此称作同步辐射。
随着高能加速器的发展，人们意识到利用高能量相对论电子束可以产生高亮度的X射线，由此翻开了同步辐射光源发展的历史篇章。
基于储存环加速器的同步辐射光源利用电子运动方向发生变化而产生连续谱的轫致辐射，其特点是光谱覆盖范围广、亮度高、光的准直性好、光脉冲具有精确的时间结构。
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自由电子激光器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。
自由电子受激辐射的设想曾于1951年由Motz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。
1974年斯坦福大学的Madey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了受激辐射；1976年Madey小组第一次实现了激光放大，1977年4月斯坦福大学Deacon 等人才研制成第一台自由电子激光振荡器。
激光是二十世纪最伟大的发明之一，自由电子激光是激光家族的一个新成员。
由于它的工作介质是自由电子，因此称为自由电子激光，这种激光的特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计，并且能够在大范围内连续调节，有着重要的应用前景。
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J.Maday于1971年在他的博士论文中首次提出的，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大，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。
自由电子激光的发展背景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。
自由电子激光的原理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)。
如图1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自发地发射电磁波。
辐射的方向在以电子运动方向为中心的一个角度范围内。
自由电子激光的特点激光是二十世纪最伟大的发明之一，自由电子激光是激光家族的一个新成员。
由于它的工作介质是自由电子，因此称为自由电子激光，这种激光的特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计，并且能够在大范围内连续调节，有着重要的应用前景。
自由电子激光是加速器产生的高能自由电子束通过周期性变化的磁场产生的激光输出，这种激光的亮度非常高，通过改变电子能量、磁场周期和强度可以改变激光波长。
自由电子激光器一般由电子束注入器(电子加速器)、横向磁场分量沿轴向周期变化的磁场、光学谐振腔等3部分组成，根据工作机理的差别，自由电子激光器大体分为康普顿型和拉曼型，前者注入的电子束能量较高，流强较弱，后者能量较低，流强较强，其光的受激辐射主要靠电荷密度波。
初步研究表明，自由电子激光具有一系列已有的其他光源无法代替的优点：1、工作频率连续可调，其频谱可以从远红外到硬x射线；2、峰值功率和平均功率高且可调；3、相干性好且高度偏振；4、具有Ps脉冲的时间结构，且时间结构可控等。
自由电子激光的发展自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，人们普遍希望普通激光器的功率、效率、和波长调谐范围能有大幅度地提高，但对于普通的激光器来说，简直难于作到，于是科学家们开始探索新的方法，新的途径来提高激光器的性能．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。
1950年，有人用射频直线加速器和摆动器演示了可见波长自发辐射和微波相干辐射．1957年到1964年问，自由电子微波激射器问世，称为"ubitron"，在5mm 波长上产生150KW 的峰值功率．同时，人们利用高能电子在轴向磁场中的横向回旋运动产生毫米波，但一直到1974年才首次在毫米波段实现受激辐射。
1977年，美国斯坦福大学的红外波段实现受激辐射。
当时研究此课题时所需的电子加速器等设备相当复杂且价格昂贵。
1978年，美国海军研究实验室在红外区也取得实验成功。
20世纪70年代，自由电子激光研究还不怎么兴旺。
当它重新开始升温时，分别通过受激康普顿散射和受激拉曼散射发展。
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、波长宽调谐范围的激光。
自由电子激光器潜在高输出功率、高效率特性，使它首先就被考虑用在国防上。
20世纪80年代，美国里根总统提出了战略防御倡议计划，使自由电子激光器成为美国"星球大战"计划中陆基或天基定向能武器中最有希望的候选者。
这就促使了美国自由电子激光器的研究、开发取得了一系列很大的进展。
激光技术的研究和开发应用是以军事武器的研究应用为先导，而逐步推广应用于民品开发生产中去的．研究和发展自由电子激光器的领域十分广阔，科学家们在许多领域内进行了大量尝试或试探性的应用研究工作。
由于自由电子激光器体积庞大，造价高昂，极大地限制了其使用范围。
自由电子激光器能否充分发挥其优异特性而走向实用，最终将取决于器件能否小型化。
因此，国际上研究自由电子激光器的热点转向了小型化、实用化、短波长(真空紫外、软x射线)方面。
美国LosAlamos实验室于1993年首次实验成功小型化的自由电子激光器(FEL)。
它运行在4-6txm波段，输出峰值功率10MW，光阴极电子枪的亮度高达2×10 A／m ·rad ，实现了高质低能(17Mev)电子束产生中红外自由电子激光。
整个装置占有较小的空间，从而使FEL向小型化和实际应用迈进了一大步。
另一方面，人们在小周期波荡器、虚火花放电装置及虚火花放电、高压电源的改进等几项新技术方面开展的研究都为自由电子激光器走向小型化提供了有利条件。
同时，研制波长几毫米以下的微型摆动器以及激光摆动器、适于上述摆动的低能及角度色散电子束源的开发也成为研究的目标．另外，利用切伦科夫辐射和史密斯·帕塞尔辐射的新型自由电子激光器，体积也大大缩小。
2O世纪9O年代初期，自由电子激光器的平均功率就已达11W．为进一步提高自由电子激光的输出功率和效率并进一步缩短波长，特别是探索更有效的短波长(紫外及x射线)自由电子激光的机理，人们对各种与等离子体有关的"非常规"自由电子激光器进行了研究，并迅速成为自由电子激光研究领域内的热点之一。
如等离子体波Wiggler自由电子激光，以等离子体为背景的静磁Wiggler自由电子激光和离子通道激光。
1994年10月，日本关西学术文化研究都市津田的自由电子激光研究所制成了兆瓦量级的自由电子激光实用装置。
这归功于花了二、三十年研究成功的电子直线加速器、微波源和超高真空等基础技术。
开发远紫外自由电子激光器需要大电流的贮存环，长寿命的电子枪以及lO Pa的超高真空等技术。
以自放大自发辐射为基础的单程自由电子激光器提供了另一种向真空紫外和x射线激光推进的路线，这种自由电子激光器可能提供极强的偏振超脉冲类激光辐射。
除了它们的高峰值亮度和高平均亮度外，电子能量的可调谐性使得这种自由电子激光器成为真空紫外和x射线辐射无可匹敌的光源。
本世纪初，德国汉堡研究人员报告了德国电子同步加速器的真空紫外激光器已产生8O～120nm可调谐，吉瓦级功率，30～100fs脉冲，其峰值亮度比目前第三代同步辐射源高8个数量级。
2003年开始进行6nm 自由电子激光器的研究工作。
人们在成功地建造出真空紫外波段的自放大自发辐射自由电子激光器后，研究人员把目光放在产生0．1nm最小波长的x射线自由电子激光器上。
德国汉堡电子对撞中心(DESY)的科学家研制出了相当于1000万倍自然光强度的x射线激光器。
这种自由电子激光器达到了理论上的最大功率。
在紫外线照射时，其功率比其它光源要强千倍。
这台自由电子激光器长约3O米，波长范围在8O到180纳米之间。
据俄罗斯"劳动报"报道，西伯利亚科学家成功地制造出一台世界上独一无二的输出功率和频率均可调的自由电子激光器。
这台自由电子激光器高达百米，功率可调范围为lO～100千瓦，波长的变化范围为2～30lxm，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。
自由电子激光的应用由于自由电子激光器具有许多一般激光器望尘莫及的优点，所以自由电子激光器问世后不久，科学家们就开始着手于研究它的应用问题．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。