【自由电子激光】
拼译：free electron laser
1976年，在美国坦福大学的超导电子直线加速器上成功地运行了世界上第1台自由电子激光器(FEL)，这是人类开发利用电磁波谱资源的又一次重大突破。此后，许多发达国家的一些高水平实验室相继投入FEL研究，FEL运行波长从毫米波、远红外到可见光、真空紫外，成了跨越波谱范围最宽、调谐能力最大的一种激光源。FEL的最高峰值功率已达GW级。利用FEL作固体物理、材料科学、医学分子生物学研究的头几批科研成果已经问世；为医学、材料科学和核聚变研究的专用FEL，有的已出光运行，有的正建造或设计中。
FEL．的工作原理虽不复杂，但不同于60年代发展起来的常规激光器。它是一种用相对论优质电子束作为工作媒介、在周期磁砀中以受激发射方式放大短波电磁辐射的新型强相干辐射源。常规激光器的工作媒介是能实现粒子数反转的一些固体或气体物质，如红宝石、二氧化碳气体等，其光发射依赖于工作媒介原子或分子中束缚电子的能级跃迁。正是相对于这种受原子或分子束缚的电子而言，FEL中的电子是在真空中的“自由”电子，不受原子或分子束缚(尽管受外界磁场束缚)，故名“自由电子激光”。FEL振荡器工作原理为由一系列沿着扭轨磁铁长度方向(轴向)交替排列极性相反的的磁极形成周期为λω的周期磁场。当一个来自加速器的电子在扭轨磁铁的中间平面(Y=0)穿过周期磁场时，便左右交替偏转波浪式向前运动，这意味着电子在磁力的作用下产生了垂直于轴的加速度。电子作加速运动时要辐射电磁波，该电磁波主要集中在轴向前方，我们称它为电子的自发辐射，它包含有各种波长，但都以光速沿轴向向前传播。如果其中有波长为λn的辐射，而电子沿轴向前进一个λw距离所需的时间正好等于(λw+nλn)／c，即有λw／vz=(λw+nλu)／C (1)
式中，n是整数；c是光速；vz是电子的轴向速度。那么电子在每个运动周期内发出的的自发辐射对于波长为λn的辐射波而言其互相的相位差为零，得以叠加加强；而对其它波长的辐射，其互相的相位差不为零，互相抵消。(1)式称为共振条件，它可以写成对λnr表达式。令
是以电子静止能量为单位的电子总能量，则有
(2)
将(2)代入(1)式，并考虑n=1的基波，可得
(3)
式中，K是与λw、Bw(扭轨磁铁磁场强度)相关的参数。(3)式说明了FEL得到短波辐射的原理，同时也说明了FEL的输出波长可以在很宽范围内调谐的原因，因为从加速器来的电子束，其能量可以方便地在大范围内连续调变。目前已有可提供从MeV到GeV能量电子束的各种加速器，如果λω为2cm，那么原则上可以用FEL得到从毫米波到X射线(0．5nm)整个短波谱区的电磁辐射，这是现有的任何其它激光源都办不到的。以上是单个电子在通过扭轨磁铁时其自发辐射如何在λ波上得到加强的情况，即自发辐射的净结果是得到波长为λ的辐射。但FEL作为一种受激辐射源，关键是它的受激辐射机理，即每个电子的辐射是如何相互加强的。如果进入扭轨磁铁的每个电子能近乎相同的相位发出辐射，就可实现每个电子自发辐射的相干叠加，所以问题归结为必须造成电子束在波长λ上的群聚。单个电子的自发辐射光波被一对光学镜反射，在第二次反射后，光波与电子束一起进入扭轨磁铁，光波电磁场与扭轨磁场的合成波将对电子束造成沿轴向的作用力，称之为有质动力。有质动力波具有光波的频率，但波数更大(波长更短)，因此它的传播速度慢于光速，而与电子的轴向速度相当，两者可同步前进。这样，在电子看来，有质动力波电磁场是有效场，处于波的不同相位区的电子将受到有质动力的略微加速或减速(取决于电子与所在点的有质动力波电场是同相还是反相)，造成电子束在光波长λ上的群聚。原先线密度均匀的电子束在有质动力波作用下发生的密度调制使电子束分成一个个越来越密集的微束团，各微束团间的距离就是光波长λ，这样各个电子自发辐射的相位差几乎为零，辐射就被相干叠加，形成受激辐射。
除受激辐射机理外，FEL的单程增益概念也很重要。既然有质动力波不是加速就是减速电子，这就存在电子束与有质动力波间的能量交换。当电子的轴向速度vz稍大于有质动力波的同步速度vs时，FEL小信号单程增益函数G＞0，即电子束与有质动力波作用的净结果是把能量交给了有质动力波，从而放大了进入扭轨磁铁的光波，这对应于被略微加速的电子数少于被略减速的电子数的情形。FEL的基本工作模式依据有质动力波中光波的来源的不同分为三大类：如果电子束的自发辐射被一对光学镜反射造成入射光波，并与电子束的受激辐射共殖，FEL就工作于振荡器模式；如果有质动力波里的光波场来源于某一外光源，则FEL工作于放大器模式；如果电子束流强足够长，扭轨磁铁的长度也足够大，以致电子光束单次通过扭轨磁铁时的自发辐射造成电子束的群聚，电子束的受激辐射同时被放大，FEL就工作于超级辐射模式。为探索FEL向短波长和高效率发展的新路子，近年来还研究成功了几种的工作模式，其中突出的有两级振荡器模式、高次谐波光学速调管模式和主振荡功率放大模式(MOPA)。加速器技术、扭轨磁铁和光镜技术是FEL赖以发展的三大技术支柱，特别是加速器技术。实际上，FEL的原理机制目前已了解得比较清楚，研究发展FEL的主要努力已转向加速器技术，其次是扭转磁铁和高稳定高反射比反射镜。理论和实践证明，任何一台成功运转的FEL主要取决于加速器能否提供高品质的电子束，包括高流强(几十到上千安培的脉冲峰值电流)、低发射度(束归一化发射度小于γλ)、低能散度(小于1／2N，N是扭转磁场的周期数)、长电子束宏脉冲宽度(足以使增益达到饱和)和电子束脉冲时间结构的稳定性。尽管加速器技术已有半个多世纪的发展历史，但对提供如此优异品质的电子束，现有的各类电子加速器都面临挑战。特别是当FEL向着短波长发展时，对电子束品质的要求变得更为苛刻。在FEL推动下，电子加速器技术已有不少重大发展。(1)微波电子枪技术。发射电子的阴极放在射频谐振腔内。由于微波电场的击穿场强比直流电场高得多，电子束在高梯加速电场下很快就达到了相对论能量，从而有效地抑制了在低能时由于空间电荷效应导致的发射度迅速增长。热阴极微波枪多采用单晶LaB6的阴极储备式阴极。由于电子源的原初归一化发射度反比于阴极的发射电流密度，大多数热阴极在20A／cm2，而CsK2Sb、Cs3Sb等光阴极可高达200A／cm2，所以光阴极微波电子枪的发展引起很大重视。采用激光引发阴极电子发射的另一个优点是易于控制电子束脉形状和时间结构，这在不少FEL的应用领域中十分重要。1989年，Maday等作Nd∶YGA锁模激光器激射微波枪内的单晶LaB6时，获得了当时世界上最高亮度的加速器电子束(5×1011A／m2·rad2)。(2)高亮度注入器技术。一台加速器的电子束品质很大程度上由它的注入器决定。在FEL推动下，发展起来的高亮度注入器主要有两条技术路线。ns栅控电子枪加次谐波聚束器(一级或二级)，后接次谐波预加速段，使电子速达到相对论能量(2～5MeV)后，再进入磁相位压缩系统，以进一步提高峰值电流。为减小低能时的发射度增大和降低能散，次谐波聚束谐振控采用基波与三倍频波的混频波，其幅度比9∶1。这种注入器的设计亮度高达1012A／cm2·rad2，峰值电流200A。光阴极微波电子枪，加次谐波预加速段，再加磁相位压缩系统。这种注入器的亮度可以做得比前者更高。有几个工作于真空紫外或X射线的高功率FEL采用这种注入器。(3)电子束能量回收技术。把从扭轨磁铁出来的电子束送入减速器装置，使电子束剩余能量返回给电子加速器。这种能量回收技术对静电加速器型FEL而言，是使加速器能提供安培级脉冲电子束流而不引起端电压过大波动的唯一方法，对射频加速器型FEL而言，是大幅度提高总体效率的主要手段。目前电子能量回收率可达95%以上。(4)长脉冲、高稳定度功率源技术。为得到平均功率大的FEL，大功率微波功率源的脉冲长度从几μs向几百μs、甚至ms连续波方向发展，而输出脉冲的平顶平坦度要求长时间好于1%。(5)强流束传输技术。强流束传输技术包括消色散和等时性传输、磁相位和能量压缩系统、强流束的尾场效应控制等涉及防止电子束品质变坏的技术。(6)电子束诊断技术。ns和ps级电子束脉冲的能谱、时间谱诊断技术是研究和监测FEL运行的重要手段。利用切伦可夫辐射、条纹像机和射频场快扫描谱仪等技术来诊断电子束品质已成功地用于FEL研究和运行监测。扭轨磁铁是使相对论电子束与原初入射光波场能量交换的装置，它的设备的优劣会影响FEL的输出特性。大多数扭轨磁铁采用永久磁铁(钐钴、钕铁硼等)，也有采用电磁铁的(螺旋电流绕组)。磁场周期一般在2～3cm，幅度典型是0．2T量级。周期和幅度值有的是固定的，有的设计成为一定的坡度(逐渐绝热地变小)、以便在更多的周期数内满足共振条件(3)式，从而提高电子束能量引出效率。扭轨磁铁制造、安装过程中要十分注意误差的控制，既要保证各周期内的磁积分为零，又要保证中心轴与光学腔轴重合。FEL的单程增益与磁场周期数N的三次方成正比，但电子束能散又必须小于1／2N，所以在加速器能保证的能散条件下，尽可能选取N比较大的设计。目前扭轨磁铁设计的一个重要研究方向是实现短周期(微型扭轨磁铁)，这将大大降低电子束的能量参数，从而简化加速器和射线屏蔽，为推广应用FEL打开方便之门。FEL用的光腔反射镜类似于传统激光器所使用的反射镜。它首先必须具有宽通带特性，以保证光腔能在FEL所设波长范围内工作；第二，高镜反射比问题，尤其工作于短波长的FEL，增益低，对镜反射比非常苛刻，需用稳定的宽带镀层；第三，光学元部件应具有抗辐射损伤能力，特别是电子储存环上的FEL，大量紫外同步辐射可以迅速地损伤一般的高反射比镀镜。所以研制耐UV辐射的稳定高反射比光镜是发展紫外X射线FEL的必要条件；第四，在短波、高功率情况下，腔内的能量散逸可能损毁镜面。例如，10mW的FEL输出通过穿透比为1%的反射镜也会引起镜面的逐渐损坏，这将是发展高功率FEL的一个棘手问题。FEL与常规激光器和微波器件工作波长和峰值功率水平相比较，不仅覆盖的工作波长区最宽，而且就单个激光器而言，也有最大的波长调变能力，这是FEL的最大优点，使它在医学、分子生物学、材料科学应用中将独占鳌头。常规激光器只能输出与光激射介质中的能量跃迁相对应的特定波长，染料激光器虽在窄的范围内调谐，但要有一个气体激光器作为光泵抽取，而且只能在较低的功率水平上工作。常规激光器至多只能把输入能量的百分之几转换为光；而FEL有高达65%的潜在效率。近年已成功实现了电子束的能量回收，并采用带有坡度的渐变扭轨磁铁，使一些已运行的FEL达到约40%的效率。从峰值功率水平讲，常规激光器已达1012W，而FEL最高水平是108～109W，不过FEL的平均功率水平可以做得比常规激光器高得多，这是FEL的优势所在。因为常规激光器的平均功率水平受限于工作介质的废热排除；而FEL工作介质是真空中飞行的电子束，不存在热效问题。FEL最高平均功率水平设计值是100kW连续波(10μm波长)。在发展短波方面用常规激光器已可获得几nm的X射线，而已运行的FEL最短波长是240nm(前苏联VEPP－3电子储存环FEL)；美国的PEP大储存环，正设计用超级辐射工作模式得到4nm的X射线FEL；其扭轨磁铁长度为60m；美国杜克大学正在建造10～20nm的FEL，以上是从总的能力上评述FEL目前水平。如果从不同的波长谱区来比较，那么FEL最富竞争力的波长区在远红外(1mm＞λ＞10μm)，在这里不仅可填补大片空白电磁波谱，而且功率水平超过现有电磁波谱源几个量级；其次是真空紫外到软X射线区(400nm＞λ～100nm)，因为在这里没有其它可调谐的强相干辐射源。。FEL发展的趋向可归结为5个方面：(1)高功率、特别是高平均功率。美国星球大战支持下的高功率FEL是这方面代表，主要是洛斯阿拉莫斯和波音公司的0．5～1μmFEL(射频直线加速器型)，其输出激光脉冲串长度达s量级，峰值功率在108W。(2)短波。有好几台设计在真空紫外线X射线运行的FEL可望在近几年内出光，大多数是基于电子储存环的。美国杜克大学专门设计的10nmFEL和PEP大环4nmFEL是这方面最引人注目的例子。在一些低能加速器上采用两级振荡器工作模式来得到短波FEL，最成功的是美国UCSB。他们用6MeV 20A能量回收型电子静电加速器电子束，得到1μm15kW的FEL输出。(3)连续波运行FEL。在世界著名的连续电子加束器CEBAF上将建造连续波FEL，它分两个部分：CEBAF注入器将建造2～30μm红外FEL，1kW连续波；其北端射频加速器区将建立200～800nm真空紫外FEL。(4)短波运行下的高效率机理研究。随着FEL向短波推进，效率变得越来越低，必须探索短波运行下FEL的高效率新机理。这方面的突出例子是高次谐波光学速调管工作模式在获得紫外FEL上的成功，这是一种发展短波长和高效率两方面兼顾而有效的FEL新工作模型。(5)紧凑型FEL。从实用、小型、经济角度看，已运行FEL还很不合要求，所以发展紧凑型FEL至关重要。这方面的突出例子是美国斯坦福大学的1mm～100μm远红外FEL，其微波电子枪长7．8cm，电子束能量2～4MeV，采用微型扭轨磁铁，整个FEL总长2m。实际上FEL是一种最优异的强相干辐射源，其应用前景将是十分辉煌的：(1)国防领域美国星球大战计划把FEL作为陆基定向能武器优选对象，已投入巨资，并计划于1994年进行关键性陆基FEL整体技术实战试验。FEL还可望作为激光雷达、激光通讯和光对抗的高功率、可调谐功率源，因为频率捷变可使敌方难以防备；调谐到大气或水下传输佳点，可保证战略通讯。(2)重大医学应用。光动力学治癌：把无毒光敏剂注入人体，恶性组织容易吸收而健康组织很少吸收，利用它对FEL波长的选择性，既可诊断和定位恶性肿瘤，又可使含敏剂的肿瘤产生单态氧，从而杀死肿瘤细胞而无损于正常细胞。美国已在这方面取得了重要进展，鉴定了几十种光敏剂，推进了白血病和淋巴瘤的治疗。用常规激光器作为光动力学治癌，波长离HPD吸收峰太远，平均功率也不够高，效果不好。心血管病治疗：激光能摧毁动脉斑块和血管血栓，关键是要选择波长，使其不被其它正常组织吸收，以避免血管穿孔或再闭的危险发生。FEL的宽调调谐能力和光脉冲功率的可控性可以做到这一点。高级眼科手术：1．5μm波是眼睛的安全波长，FEL能方便提供，它比目前常用的ND∶YAG激光器(1．06μm)安全8000倍，比CO2激光器(1．06μm)安全100倍。几十ps的FEL短脉冲用于透明的或染色的眼睛组织的外科分裂，而μs可变宽度长脉冲串适用于视网膜的光焊接。射频加速器FEL，可方便地提供上述两类光脉冲。单色性是光凝固的最重要条件，需依据被治疗组织是眼前部(结膜、角膜、虹膜)还是眼底部(玻璃体、脉络膜、视网膜)来选择波长，而能量密度和聚焦性能好是进行精确凝固的前提。FEL的波长可调、能量密度高，是光凝固手术的理想光源。(3)生命科学研究。人体组织的电磁能吸收系数在0．7～3μm波长区有4个量级的变化，0．7m被称为“治疗窗”，吸收极小，而3μm附近是水的吸收峰，因此在该波长区连续精细可调对人体生命科学研究十分重要。但常规激光器在该波段不能很好调谐(染料激光器的调谐范围仅在0．4～1μm，功率水平也不够高)，射频加速器型FEL既可输出ps级超短光脉冲，又可从几μs到上百μs控制这些脉冲串的持续时间，再加上波长的连续性，使它成为支撑生命科学重大前沿课题研究的崭新技术，如光合作用原始过程研究的ps光谱，复制DNA的动力学过程和谐振态研究，生命生理过程的激光超显微探测等。(4)材料科学研究。用FEL作材料光谱分析可获得比常规光谱分析高一个量级的分辨率。FEL的波长可调就可有选择性地光致离解材料的原子或分子，达到分辨出样品中某种元素的单个原子，这是其它分析方法难以达到精度。比分子弛豫时间还短的ps级光脉冲与波长可调相结合就可控制材料的键选择化学过程，从而开发新材料。在一个分子的光致离解可催化大数目的它种分子时，高效的FEL可用于控制催化作用，并达到商业开发。远红外超短脉冲FEL是材料非线性光谱分析和瞬态过程研究的重要手段。FEL的高峰值功率在合适的波长下可用于材料照射改性。(5)能源领域。FEL在mm波段可有MW级的平均功率输出，可用来强磁场约束的等离子体以电子回旋谐振加热，或对高β等离子体进行加热和诊断。FEL在同位素分离富集工艺中也很有吸引力，如16μm波长FEL用于235U分离，分离系数高、成本低、可充分利用铀资源。(6)激光加速器。现代高能加速器极其庞大、复杂和昂贵。利用聚焦好的高强度激光可产生比高频加速腔中高出几个量级的电场的电场强度，从而使加速器尺寸和造价均大为减小，这种所谓激光加速器被认为是实现超高加速和加速器小型化的有竞争力的途径。FEL的高亮度为激光加速器的成功提供了可能。(中国科学院上海原子核研究所博士生导师赵小风、杨福家院士撰)