自由电子激光
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。
自由电子激光及其发展情况介绍
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。
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。
自由电子激光器的原理与应用
自由电子激光器的原理与应用作者：周宇东来源：《中国新技术新产品》2017年第05期1.自由电子激光器的原理1.1 同步辐射要了解自由电子激光的原理我们首先要明白什么是同步辐射。
同步辐射：同步辐射是速度接近光速（v≈c）的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同步加速器上观察到的，便又被称为“同步辐射”。
由同步辐射产生的光源叫做同步辐射光源，它的优点有：高亮度，宽波段（远红外、可见光、紫外直到X射线范围内的连续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波长的光），窄脉冲（脉冲宽度在10-11～10-8s之间可以调控，脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级），具有高偏振，高准直，高相干性。
同步辐射光源的这些特点正好满足了激光器光源的需求。
所以自由电子激光器利用的就是同步辐射的原理作为光源的。
1.2 自由电子激光器的原理自由电子激光装置的原理如图1所示。
该装置由3部分组成：电子束注入器、扭摆磁铁、光学谐振腔。
其中电子束注入器就是电子加速器，扭摆磁铁是有多对N-S相间的磁铁组构成，其中相邻两组磁铁的磁场方向是上下交替变化的，磁场变化的空间周期为λw，光学谐振腔主要是由一个反射镜和半透半反镜构成。
当经电子加速器（速度接近光速）沿图示的Z方向进入到扭摆磁铁区时，电子在磁场的洛仑兹力作用下会在X-Z平面内左右往复摆动。
当带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射（同步辐射）。
在一定的条件下在不同位置处向Z方向发射的电磁波可以有相同的相位，并且还能够从电子束中获得能量，使它们的能量得以增加。
其中的一部分电磁波可以在由反射镜和半透半反镜构成谐振腔内往返运动，使它们的能量反复放大，最后从半透半反镜输出激光。
激光必须满足相干和受激放大的条件。
自由电子激光器是怎么实现相干和受激放大的条件的呢？1.2.1 相干性如图2所示，A，B是相距为一个磁场空间周期的两个点，电子在这两处的运动情况完全一样且都会产生电磁辐射，设电磁波波长λ1且电子刚到A，B两处时产生的电磁波共同相位为δ。
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。
自由电子激光器
原理图
装置核心
电子源（通常是粒子加速器） 相互作用区（把电子动能转换为光子能量）
与传统激光器的比较
比较
相同点 •高方向性 •高能量 •高相干性 …… 光学性质相同
不同点 •不需要介质 •谈不上布居数 反转 •其他基本特性 …… 发光机制不同
基本特性
•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 ，因此调谐范围更宽，当前可涵 盖微波至X射线 （电子束能量或波荡器的磁场强 度）
实物图
模拟图
工作原理
基本思想：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 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
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自由电子激光器
光信息91 罗兵
主要内容
1.自由电子激光器简介 2.工作原理 3. 与传统激光器的比较 4.基本特性 5.应用
自由电子激光器简介
free-electron laser (FEL) 以自由电子为工作物质，将高能电子束的能 量转换成激光的装置。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”
•相干性好且高度偏振
•峰值功率和平均功率高，而且可以调节
•其他不可替代的特性
应用
凝聚态物理学、材料特征、激光武器、激光反导弹、雷达、
激光聚变、等离子体诊断、表面特性、非线性以及瞬态现 象的研究
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.
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。
现代自由电子激光器原理与制备方法探讨
现代自由电子激光器原理与制备方法探讨自由电子激光器（Free Electron Laser, FEL）是一种基于自由电子的激光放大器。
它利用自由电子的高速运动状态产生相干的电磁辐射，并通过光学腔结构将辐射放大，最终产生一种具有高度聚焦、极高能量密度和极短脉冲宽度的激光束。
自由电子激光器广泛应用于科学研究、医学诊断、材料加工和军事防御等领域。
一、现代自由电子激光器的原理现代自由电子激光器主要基于自由电子的受激辐射原理运作。
其基本原理如下：1. 自由电子加速：自由电子通过电子枪产生，并通过线性加速器或环形加速器进行高能量电子束的加速。
这些高能量电子束一般在近光速运动，具有较大的动能。
2. 自由电子与光子的交互作用：高能量电子束穿过一种称为"wiggler"的磁场区域。
"Wiggler"中的强磁场使电子束运动产生弯曲，从而电子在弯曲过程中释放出一部分能量，形成一束相干的光子。
3. 光子放大：自由电子释放出的光子经过一个光学腔结构，通过多次反射和干涉，不断受到刺激放大，产生一束高度聚焦和高能量密度的激光束。
二、现代自由电子激光器的制备方法现代自由电子激光器的制备需要多种技术和设备的配合。
以下是一些常见的制备方法：1. 自由电子产生：自由电子主要通过电子枪产生。
电子枪是由阴极、阳极和控制电极构成的装置，利用电场作用使阴极表面发射出热电子。
通常使用热阴极或光阴极产生高能量电子束。
2. 电子束加速：电子束需要通过线性加速器或环形加速器进行加速。
线性加速器的工作原理是利用高频电场的加速作用使电子束加速，而环形加速器则通过不断加速的磁场使电子束维持在高能量状态。
3. "Wiggler"制备：为了产生高能量光子，需要通过一种称为"wiggler"的磁场区域来实现。
这一区域通常由一系列磁体组成，产生强磁场使电子束在弯曲过程中释放出能量，形成光子。
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。
激光的种类种类及应用
激光的种类种类及应用激光（Laser）原指具有高效率，窄束，高单色性（即色散小），高相干性（即随机性小）的光。
自1964年发明激光以来，激光技术在多个领域得到广泛应用。
根据不同激光产生机制、波长范围和功率等特性的不同，激光可以分为多种种类。
1. 气体激光器（Gas Laser）气体激光器是最早被开发和应用的激光器之一。
根据不同的气体填充和激发方式，气体激光器可以分为氦氖激光器（He-Ne），二氧化碳激光器（CO2），氙离子激光器（Xe-ion）等。
氦氖激光器广泛应用于测量、光学实验、医学等领域；二氧化碳激光器在加工和切割材料、医学手术、雷达等领域得到广泛应用；氙离子激光器适合生物医学、光化学、实验等领域。
2. 固体激光器（Solid-State Laser）固体激光器是利用一些固态材料来产生激射光的装置。
常见的固体激光器包括钕：锗酸玻璃激光器（Nd:glass）、二极管激光器（Diode laser）、钕：YAG激光器（Nd:YAG）、掺铒光纤激光器（Er-doped fiber laser）等。
固体激光器在材料加工、激光雷达、医学手术、通信等领域得到广泛应用。
3. 半导体激光器（Semiconductor Laser）半导体激光器是利用半导体材料来产生激射光的装置。
半导体激光器又称为激光二极管（Laser Diode），它具有尺寸小、寿命长、高效率等特点。
半导体激光器广泛应用于通信、照明、显示、激光打印等领域。
4. 纤维激光器（Fiber Laser）纤维激光器是利用光纤结构的光介质来产生激射光的激光器。
纤维激光器具有体积小、易于集成、输出功率稳定等特点。
纤维激光器在制造业、材料加工、通信、医疗等领域得到广泛应用。
5. 液体激光器（Liquid Laser）液体激光器是利用液体介质来产生激射光的装置。
由于液体特性的不稳定性，液体激光器并不常见，但在一些特殊领域如核聚变、舰船激光武器等方面得到应用。
FEL基础理论
FEL基础理论自由电子激光的基本思想为由加速器产生的相对论电子通过波荡器的同时与光场相互作用，合理选择电子和波荡器参数，使电子与辐射波长满足共振条件，可产生特定波长的辐射。
由于电子相对光场纵向位置不同，即电子与光场相互作用位相不同，与光场作用使得部分电子得到能量，部分电子损失能量，这可导致电子的纵向群聚，群聚使得电子束与光场相互作用加强，大部分电子辐射光位相趋于相同，使辐射受激相干放大，从而形成高亮度相干光束。
1971年，John Madey基于量子力学对FEL进行了理论推导[5]，随后人们发现FEL也可以使用经典理论解释。
经过多年发展，FEL基本理论已比较成熟。
我们参考相关书籍[34,3034]，对FEL理论进行简单介绍。
1 电子运动轨迹常用波荡器分为平面型波荡器和螺旋型波荡器，由于平面型波荡器结构简单，在实际FEL装置中普遍应用，因此本章，以平面型波荡器为例介绍FEL基础理论。
2.1.1 电子在波荡器磁场中运动方程图2.1 平面波荡器示意图运算中设波荡器为理想波荡器，即不考虑实际波动器边缘场效应，忽略场横向变化，且磁场仅在y方向，磁场强度为：其中。
根据洛伦兹定律：电子具有初始速度，忽略除波荡器磁场外的所有电磁场，电子运动方程为：将时间坐标系变为空间位置坐标系有其中为波荡器无量纲参数。
K/γ为电子在波荡器中的最大偏转角度。
电子束的总运动速度是一定的，联立（2.7）和（2.9），可求得电子纵向速度可见电子纵向速度并不是恒定的，还多一个以为周期的振荡项。
在波荡起周期上求平均由（2.7）和（2.9）可以看到由决定，也与有关，而由决定。
如果我们取一级近似，即，那么电子运动轨迹可见在以电子平均速度（Z方向）运动的坐标系中，电子轨迹为平面上的8字形。
如果考虑振荡项，同时在推导过程中忽略的高次项，则有可见电子在X方向做奇次谐波振荡，在Y方向做偶次谐波振荡。
K值越大，谐波辐射越强；谐波次数越高，辐射强度越弱。
主要激光的分类
主要激光的分类激光（Laser）是一种集中能量的光束，具有单色性、相干性和高亮度等特点，因此在现代科技中得到了广泛应用。
根据激光的工作原理和应用领域的不同，可以将激光分为几个主要的分类。
一、气体激光器气体激光器是一种利用气体放电产生激光的装置，常见的气体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器、氦氖激光器等。
其中，二氧化碳激光器是最常用的气体激光器之一，其工作介质为CO2气体，发射波长为10.6微米，广泛应用于材料加工、医疗美容等领域。
二、固体激光器固体激光器是利用固体材料通过受激辐射产生激光的装置，常见的固体激光器有钕玻璃激光器、掺铬锆石激光器等。
钕玻璃激光器是最常用的固体激光器之一，其工作介质为掺杂了钕离子的玻璃，发射波长为1.06微米，广泛应用于激光打标、激光切割等领域。
三、半导体激光器半导体激光器是利用半导体材料产生激光的装置，常见的半导体激光器有半导体激光二极管、垂直共振腔面发射激光器等。
半导体激光二极管是最常用的半导体激光器之一，其工作介质为半导体材料，发射波长范围广泛，从红光到紫外线都有应用。
四、光纤激光器光纤激光器是利用光纤作为激光的传输介质的装置，常见的光纤激光器有光纤激光器、光纤激光放大器等。
光纤激光器具有体积小、能耗低、光束质量好等优点，广泛应用于通信、材料加工等领域。
五、自由电子激光器自由电子激光器是利用自由电子束产生激光的装置，常见的自由电子激光器有自由电子激光器、自由电子自放大激光器等。
自由电子激光器具有波长范围广、激光功率大等优点，广泛应用于科学研究、医学诊断等领域。
总结在现代科技中，激光的应用越来越广泛，不同类型的激光器在各自的领域发挥着重要作用。
气体激光器适用于高功率、大面积的应用；固体激光器适用于高精度、高稳定性的应用；半导体激光器适用于小型、低功率的应用；光纤激光器适用于远距离传输的应用；自由电子激光器适用于大功率、宽波长范围的应用。
不同类型的激光器相互补充，共同推动了激光技术的发展。
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
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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
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。
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outline
1.定义
2.原理
4.不足
1.定义
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，把相对论电子束的能量转换成相干辐射的激
光输出，有别于传统的束缚电子的能级跃迁而产生激光。
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。 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。
2.原理
晶体的衍射：当X光照射到晶体上时，会引起散 射。就是光波会激发原子发出同样频率的波，由 于晶体中原子排列的有序性，在特定的方向上， 散射的光得到了增强，很容易就探测得到。
分子散射：在原子空间排列无序的条件下，出射 光子的方向不受限制，因此出射的X射线强度变 得非常微弱。
当入射X射线的光子具有确定的位相关系（相干）， 散射的光子产生的信号就有确定的相位关系，能够进 行振幅叠加，信号放大，就可以探测到
3.优点
X射线自由电子激光（XFEL） 原子分辨率需要X光 强度和相干性需要激光
News Flash: X-ray Laser Produces First Protein
lysozyme crystal structure
水解致病菌中黏多糖的碱性酶，破坏细胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡糖 之间的β-1,4糖苷键
De novo protein crystal structure determination from X-ray freeelectron laser data 244 | NATURE | VOL 505 | 9 JANUARY 2014
4.不足
分子损伤：极高的强度会使分子完全离解 相位问题： 探测技术：需要发展 实验技术：获得单分子的散射信号
XFEL作用下溶菌酶分子的离解
2fs的脉冲可以得到可靠的结构， 5fs以上会有误差， 10fs以上基本不可用。
5.前景
极快的脉冲提供了研究生物大分子在发挥功能
时结构变化的研究手段；
Cry3A toxin：produced by Bacillus thuringiensis（苏云菌） naturally crystallized within Bt cells
Protein crystal structure obtained at 2.9 Å resolution from injecting bacterial cells into an X-ray free-electron laser beam. PNAS 9.2, 2014 | vol. 111 | no. 35 | 12769–12774
不仅在静态，而且在动态的情况下得到结构，
使我们能够对生物大分子结构和功能的研究进
入到一个全新的领域。
6.例子
ParasiteTrypanosomabrucei （锥虫）
Enzyme：cause African sleeping sickness
An x-ray laser revealed how this enzyme is bound up and deactivated.