自由电子激光和飞秒激光

第六节　自由电子激光和飞秒激光

自由电子激光

激光是基于受激放大原理而产生的一种相干光辐射，普通激光是以一些固体、液体或者气体为工作物质，光发射机理是工作物质产生的受激相干辐射，而自由电子（free electron laser，简称FEL）是以真空中的自由电子为工作媒质的光受激辐射，我们把凡是利用自由电子与电磁波相互作用所产生的受激辐射均称为自由电子激光。

1.自由电子激光器原理

自由电子激光器一般是由电子束注入器（电子加速器），沿轴向周期变化的磁场（扭摆磁场）和光学谐振腔组成。由电子加速器注入到周期变化的磁场区的电子向x方向运动并在洛仑兹力的作用下，在xz平面内左右往返地摆动，呈圆弧形运动（见图9）。由于电子有向心加速度，就会沿轨道的切线方向辐射出电磁波，并在满足一定相位条件下，得到相干光。沿切线方向传播的光辐射和前方的电子相互作用，使电子的动能减少，光能增加（受激放大），并在光学谐振腔内往返地运动，受到反复放大，从半透反射镜输出。

图9　自由电子激光原理

2.自由电子激光器特点

研究表明，自由电子激光具有一系列其他激光光源无法替代的优点。

①工作频率连续可调，调谐范围宽，可以从远红外跨越到硬X射线，其辐射波长近似为：λ＝0.131P/（0.511＋E）²，其中，P是扭摆磁场的周期，E是电子能量。因此可以通过改变扭摆周期和电子能量来调谐波长，从而得到不同波长的输出。

②普通激光器在高功率下运行时会因热效应使工作介质损坏，而自由电子激光的工作介质是真空，不存在热效应问题，因此峰值功率和平均功率可以很高，目可调。

③相干性强，光束质量好，可获得偏振输出，它的光脉冲时间结构非常优异，既有10－12s量级的短脉冲，也有几百微秒量级的长脉冲，并且可以根据不同需要加以控制。

上述这些突出优点的结合，使得它在科学、军事、医疗、材料科学、生命科学等方面有广阔的应用前景，被称为第四代同步辐射。自由激光器目前仍处于研究和发展阶段，世界上已经有英、法、日、德等十几个国家拥有或正在建设自由电子激光装置，我国中科院研究所和中国工程物理研究院建立的FEL装置也实现了出光。小型、紧凑、实用、经济的专用FEL装置，是目前自由电子激光发展的主要方向。

飞秒激光

近年来，科学家研究发现了一种更为奇特的光——飞秒激光，飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。

飞秒激光系统由四部分组成：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。在振荡器内，利用一种特殊技术获得飞秒激光脉冲。展宽器将这个飞秒激光脉冲按不同波长在时间上拉开。放大器使这一展宽的脉冲获得充分能量。压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一起，恢复到飞秒宽度，从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲。

1.飞秒激光的特点

飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，一飞秒就是10－15s，也就是1/1000万亿秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍，是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲；飞秒激光具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍。

科学家预测飞秒激光将为22世纪新能源的产生发挥重要作用；飞秒激光能聚焦到比头发丝的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。

2.飞秒激光的应用

基于飞秒激光的上述特点，其在物理学、生物学、化学控制反应、光通信等领域中有广阔的应用前景。如利用飞秒激光具有快速和高分辨率特性，可在疾病早期诊断、生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用；物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体，这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光；利用飞秒激光的高功率可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机等因天然雷击而造成的灾难性破坏；高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火。将为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。另外，高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。