自由电子激光器ppt课件
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。
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。
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。
4.4激光的应用课件5(人教版)
2 气体激光器
气体激光器是目前使用很广泛的一类激光器 （1）气体工作物质种类极多，输出的激光谱线很 丰富，而且气体激光器大多能连续工作； （2）气体物质的光学均匀性一般都较好，气体激 光器输光的光束特性、相干性和方向性均较好； （3）气体激光器一般结构简单、造价低廉、使用 方便，较易推广; （4）气体激光器在输出功率和能量方面开辟了许 多新的用途，特别是二氧化碳激光器的连续功率， 目前最高已达数万瓦的水平，远远超过其它激光 器。
自发辐射概率 A21 对每一个能级系统是一常数，而 对于受激吸取，只有受激吸取系数 B21 对每一个 能级系统为常数，而受激吸取跃迁概率W12与入射 光强有关，不是常数
（3） 受激辐射
恰出好与原满外子足 来中光h处子于一E高样2 能特E级征1 )E的的2光诱的子发电,下子这向,会叫低在受能外激级来辐光E射1子跃. (迁其,频并率发
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
E2 .
E2
。
h
h
h
E1
E1 .
发光前
发光后
受激辐射的光 放大示意图
如果处于能级E2上的原子数密度为N2，入射光单 色辐射能量密度为 ()，则在单位时间内受激辐射
的原子数密度为
dN 21 dt
B21()N 2
B21为受激辐射系数，令 W21 B21()
（2） 受激吸取
原子吸取外来光子能量 h , 并从低能级 E1 跃迁 到高能级 E2 , 且 E2 E1 h , 这个过程称为光吸取.
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
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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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。
自由电子激光器
专业：光学工程 学号： 姓名：
内容提纲
自由电子激光器的提出 自由电子激光器的结构和产生机制 自由电子激光器的优缺点 自由电子激光器的发展及应用
一、自由电子激光器的提出
1951年，斯坦福大学的H.Motz提出了自由电子受激辐射 的设想，并在1953年进行过实验，因受当时条件的限制， 未能得到证实。 1960年，世界上第一台激光器诞生——红宝石激光器。 激光的发明，极大地推动了物理学的发展。 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等方面能有大幅度地提 高，但对于普通的激光器来说，很难做到。
电子在波荡器里轨迹示意图
自由电子激光器的总体机制——同步辐射
普通情形下的同步辐射：相对论性带电粒子在电磁场的 作用下沿弯转轨道行进时所发出的电磁辐射。 同步辐射的特点：
同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、 高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异 性能的脉冲光源，可以用以开展其它光源无法实现的许 多前沿科学技术研究。
1993年，美国LosAlamos实验室在中红外波段首次实现小 型化的自由电子激光器。
提出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，激光器体积大大缩小。
1994年，日本研制成功兆瓦量级的自由电子激光实用装 置。
德国汉堡电子对撞中心研制出相当于1000万倍自然光强 度的x射线自由电子激光器。
由于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。自由电子激光器比任何传统激光器都具 有更宽的频带，因此调谐范围更宽，当前可涵盖微波， 太赫兹，远红外，可见光区，甚紫外直至X射线。
自由电子激光器的工作物质没有衰变问题，理论上，工 作寿命不受限制。
自由电子激光器缺点
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2006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。
FEL和普通激光器的异同
普通激光器
FEL
泵浦源
根据工作物质不同可有 光能 电能 化学能 原子
能
电子加速器加速电子
工作物质 气体、液体或固体（如半 导体激光器）等激光介质
摆动器（波荡器）
谐振腔
光学谐振腔
光学谐振腔
自由电子激光器的分类
按是否存在入射激光束分： 自由电子激光放大器：将入射激光功率放大 自由电子激光振荡器：无入射激光，依靠光学谐振
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。
二、自由电子激光器的结构
自由电子激光器主要由三部分构成：电子束、磁摆动器、 光学谐振腔。对于自由电子激光放大器来说，还需要入 射激光源。
产生机制
为了产生自由电子激光，一束电子被加速至接近光 速（相对论速度）。之后，电子束通过由周期性横向磁 场（通过在光腔中设置与电子束行进方向成变化夹角的 磁体产生）构成的自由电子振荡器。产生周期性磁场的 磁体阵列又被称为“波荡器(undulator)”或“摇摆体 (wiggler)”，这是因为它们会作用于电子束使之形成正 弦形状的路径。在此路径上对电子进行加速会使之发射 光子（同步辐射）。由于电子周期运动与已发射光场同 相，得到的是相干叠加的光场，即自由电子激光。所发 射的光波长可以通过改变电子束能量或波荡器的磁场强 度进行调节。