X射线自由电子激光 | 激光领域最新进展(2)

[原文来自：www.11jj.com]

其中λFEL 为自由电子激光谐振波长， λu 为波荡器磁场周期， γ 为相对论电子的共振能量， Ku 为波荡器参数，由波荡器峰值场强Bu (单位为T)和波荡器周期(单位为cm)所决定。

[原创文章：www.11jj.com]

按照运行模式，自由电子激光主要可分为振荡器型、自放大自发辐射(self-amplified spontaneous emission，简称SASE)和外种子型三种，如图3所示，其中振荡器型为低增益FEL，而SASE 和种子型都为单次通过放大的高增益FEL。

图2 电子束在波荡器中运动产生相干辐射

图3 几种典型的FEL运行模式(a)振荡器型FEL；(b)自放大自发辐射FEL；(c)外种子型FEL

2.1 振荡器型FEL

在低增益自由电子激光中，电子束与辐射光场之间的能量交换小，光场每次通过波荡器时只能获得较小的能量增益。通常低增益FEL中电子束峰值流强较低，波荡器也较短。典型的低增益FEL 为振荡器型FEL，如图3(a)所示，其波荡器被放置于光学谐振腔之中，依靠光学谐振腔使返回的辐射光场与电子束相互作用，光场经多次放大到足够的强度后使电子束产生群聚，进而产生受激辐射并最终达到饱和输出。目前振荡器型FEL 多用于THz 和远红外波段，在真空紫外及更短的波长范围，由于缺乏合适的反射材料，振荡器型FEL难以工作。近些年来，随着加速器技术和晶体反射材料的发展，在硬X射线波段实现振荡器型FEL(XFELO)成为了可能，未来XFELO将有可能为用户提供横向纵向全相干、稳定的X射线自由电子激光。

2.2 自放大自发辐射FEL

为将FEL 向短波长拓展，人们发展了电子束单次通过波荡器进行增益放大的高增益机制，其中最为简单有效的就是SASE，如图3(b)所示。SASE 作为现今高增益FEL 装置的主流方案，其优点是输出波长连续可调、结构相对简单，只需要将电子束通过一个较长的波荡器就可以输出高功率的FEL。但其缺点也十分明显：由于SASE初始阶段是靠电子束的噪声起振，导致其辐射的中心波长和脉冲能量的抖动都较大，在随后的指数增益过程中，初始噪声被不断放大。虽然由于滑移效应的影响，SASE所产生的辐射是部分相干的(一个合作长度内)，光谱带宽也会随之明显减小，但饱和处FEL 的纵向相干性仍然不能让人满意。

改善SASE 纵向相干性的一个有效手段是采用自种子运行机制，其原理是将SASE 的波荡器分为两段，中间用一个X 射线单色器隔开，电子束在通过第一段波荡器时产生足够强的SASE光，但FEL 还远未达到饱和，此辐射脉冲经过单色器后变成全相干的X 射线辐射，之后被送入到后面的第二段波荡器中作为种子激光被同一个电子束继续放大直至达到饱和输出。X 射线自种子运行模式首先在LCLS 得到了实验的验证， 实验结果表明，通过采用自种子，SASE 的带宽可以减小一到两个量级，大大提高了FEL 的光谱亮度，但同时自种子FEL 也存在着脉冲能量抖动大等问题。