X射线自由电子激光 | 激光领域最新进展

作者:赵振堂 冯超 (中国科学院上海应用物理研究所)

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1 X 射线光源与自由电子激光

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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。几十年来,同步辐射光源已经历了三代的发展,目前以扭摆器和波荡器等插入件为主要发光设备的第三代同步辐射光源已成为物理、化学、材料、医学、生命科学等众多科学领域中基础研究和应用研究的一种最为先进和不可或缺的研究手段。同时,为了满足更高的应用需求,同步辐射光源正在向相干性更好、脉冲长度更短、亮度更高的衍射极限储存环光源即第四代光源发展。

自由电子激光(free-electron laser,简称FEL)作为新一代相干光源的可行技术路线,其原理是采用加速器产生的高品质电子束与NS 极交替排列的磁铁阵列——波荡器相互作用来产生具备激光品质的高功率相干辐射,其波长由电子束的能量和波荡器的磁场强度与周期长度决定,其输出功率由电子束的能量、切片能散和切片发射度以及波荡器的磁场决定,输出的辐射既可覆盖第三代同步辐射光源广阔的光谱范围,同时又具备常规激光的相干性和超高亮度与飞秒级(1 飞秒等于10-15秒)超短脉冲的特质,并具有按照需求确定时间结构的优异特性。与典型的第三代同步辐射光源相比,X射线自由电子激光的峰值亮度高9 个量级,光脉冲短3 个量级,相干性提高3 个量级以上。这些特点突破了现有常规激光和同步辐射光源的许多禁区,使得自由电子激光自诞生之日起就备受人们的青睐和广泛重视。

自由电子激光是一种使用相对论电子束通过周期性变化的磁场以受激辐射方式放大电磁波的新型强相干光源。自由电子激光装置通常由加速器、波荡器和光束线站系统三部分组成。绝大多数自由电子激光都是由电子直线加速器驱动的,其典型结构如图1 所示。用于自由电子激光的直线加速器一般由电子枪和主加速器组成,电子枪提供品质优异的电子束,主加速器将此电子束加速至波长所要求的能量并保持其束流性能不退化,之后电子束被注入到磁铁极..替变换的波荡器中,电子因做扭摆运动而在其前进方向上自发地发射电磁辐射,辐射场与电子束相互作用,满足共振关系时,电子的动能将被不断地传递给辐射光,从而使辐射场强不断增大。按照放大增益,可将自由电子激光分为低增益和高增益两种放大机制的自由电子激光:低增益自由电子激光的放大器部分由波荡器和光学谐振腔组成;高增益自由电子激光的放大器仅由波荡器或外加常规种子激光系统组成。

X射线自由电子激光 | 激光领域最新进展

图1 自由电子激光基本构成

相对于传统激光器,FEL 主要有以下三方面的优点:(1)功率高。传统激光器由于受到工作介质损伤阈值、散热、非线性效应等的限制,难以输出非常高的平均功率,而FEL的工作环境为真空,不存在热效应积累的问题,其输出功率由电子束的功率所决定,理论上不存在绝对的上限。(2)光谱覆盖范围广且连续可调。传统激光器只能输出特定频率的激光,只有较少的几种激光器,如准分子和二氧化碳激光器可以有较窄的调节范围。由FEL的原理可知,其输出波长在理论上不受限制,通过调节电子束和波荡器参数可以实现从太赫兹到X射线的任意波段的输出,且通过改变电子束能量或波荡器间隙等参数,一台FEL也可以在一定范围内连续调节输出激光的波长。(3)光束质量好。FEL 可输出光谱窄、相干性好的光束,而且其光脉冲的时间结构也很优异,输出脉冲长度可在皮秒到阿秒量级进行选择,脉冲的时间结构也可根据应用需要做出相应调节。

FEL 的上述突出优点使得其在固体表面物理、半导体物理、凝聚态物理、光谱学、非线性光学、生物学、化学、医学、材料科学、能源、通信、国防科学等诸多方面有十分重要的应用。FEL 是探索微观世界的理想探针,能为多个学科开辟全新的研究领域,而FEL装置的建设也能推动相关高新技术和设备的发展。正如诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生所说:“自由电子激光对于21 世纪的科学与工业的影响是无法估计的。”

2 自由电子激光基本原理

与常规激光不同,自由电子激光以真空中的相对论电子束为工作介质,由自由电子产生的电磁场辐射的相干叠加和放大而产生。相对论电子束在经过一对由N 极和S 极构成的偏转磁铁时,将沿其圆周运动轨道的切线方向发射出波长在一定范围内连续分布的同步辐射。自由电子激光的核心器件为波荡器,它是由一系列N极和S 极交替排列的磁铁阵列所构成,如图2 所示。电子束经过波荡器时,将扭摆前进,通过合理选择电子束和波荡器的参数,电子束在经过每一对磁铁所发出的同步辐射将会在电子束的前进方向和固定的波长上相干叠加,即产生较强的相干辐射,此相干辐射又会在波荡器中与电子束本身相互作用,在电子束中产生尺度在辐射波长量级的微结构,从而进一步增强相干辐射直至达到饱和。这种强相干辐射就是自由电子激光,其波长与电子束能量和波荡器参数有如下关系:

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