自由电子激光器是什么意思

         1.自由电子激光器以自由电子为工作介质，产生强相干辐射。其产生机制与原子中束缚电子的受激辐射不同。自由电子激光器的概念最早由John MJ Madey在1971年的博士论文中提出。1976年，他和同事在斯坦福大学实现了远红外自由电子激光器，并观察到了10.6μm波长的光放大。此后，许多国家开展了自由电子激光器的理论和实验研究。

         2.自由电子激光器的基本原理是通过自由电子与光辐射的相互作用，电子将能量传递给辐射，从而增加辐射强度。

         3.自由电子激光器具有一系列现有激光光源无法替代的优点。例如频率连续可调、频谱范围宽、峰值功率和平均功率高且可调、相干性好、偏振性强、ps级脉冲时间结构可控等。中国科学院高能研究所于1993年建成我国第一台自由电子激光装置。

         4.自由电子激光器的物理原理是利用穿过周期性摆动磁场的高速电子束与光辐射场的相互作用，将电子的动能传递给光辐射，以增加辐射强度。利用这一基本思想设计的激光器称为自由电子激光器(简称FEL)。如下图所示，一组扭转磁铁可以产生沿z轴方向周期性变化的磁场。磁场方向沿 y 轴。加速器提供的高速电子束通过偏转磁铁D引入摆动磁场，由于磁场的作用，电子的轨迹将发生偏转并沿正弦曲线运动，其运动周期与摆动磁场相同。这些电子在xOz平面内向前摆动，并具有沿x方向的加速度，因此它们会向前辐射电磁波。辐射方向处于以电子运动方向为中心的角度范围内。

　　可以看出，自由电子激光器的工作原理完全基于经典物理学，与依赖原子受激吸收和受激发射量子现象的传统激光器(如红宝石激光器)不同。在经典物理学中，能量是连续的，而不是离散的(量子化的)。因此，自由电子激光器可以实现辐射频率的大规模连续调节。

　　延伸阅读：

　　自由电子激光器有以下优点：

         1.传统激光器是通过电子在原子或分子中确定的能级之间跃迁来产生光发射来实现的，而自由电子激光器没有固有的能级限制 ，其输出波长在较宽范围内连续可调。自由电子激光器可以在整个电磁波谱范围内工作，并且可以在普通激光器无法振荡的短波长范围(真空紫外线、软X射线)内振荡。目前大多数与应用相关的自由电子激光器都在近红外、中红外和近紫外光谱带中工作。自由电子激光器也有望成为远红外和亚毫米波段辐射的重要可调谐辐射源。

         2.自由电子激光器最吸引人的地方是它们可以产生非常高的功率。平均功率达到几千瓦，平均功率也可以达到几兆瓦，峰值功率达到千兆瓦。自由电子激光器非常高效，因为它们没有中间能量转换环节。10μm波长的激光效率在20~50%以上，并且可以通过电子束能量的回收来提高效率。

         3.一般激光器由于工作材料性能衰减，工作寿命短。自由电子激光器的工作机理不受原子和分子介质的影响，因此自由电子本身不存在寿命问题。

        4.自由电子激光器的光谱比较纯净，避免了传统激光器中活性介质造成的介质吸收、自聚焦等影响，因此有利于提高光束质量。自由电子激光器的光束发散角可以达到衍射极限。此外，自由电子激光器还具有时间结构和输出频带窄、工作稳定、重复性好的优点。