X射线自由电子激光 | 激光领域最新进展(4)

利用电子束产生相干电磁辐射与常规激光技术诞生在同一时期。1960年，美国科学家R. Philips将扭摆磁铁与微波管结合，用低能电子束产生了毫米波段的激光。1971 年，美国科学家J. Madey首次提出FEL的概念，并用量子力学理论推导出了Madey 定理，随后美国科学家W. Colson 等人用经典电动力学的方法对FEL进行了完整的理论描述。1976 年，J. Madey 等人在斯坦福大学完成了首次FEL 放大实验，实现了波长10.6 μm的CO2激光的放大。1977 年D. Deacon 等人首次实现了基于光学谐振腔的振荡模式的FEL，研制成功了世界上第一台红外FEL。至此带有光学谐振腔的低增益FEL 理论得到充分的实验验证，FEL 的研究和应用也随之蓬勃发展起来。然而，低增益FEL进一步向短波长推进时却遇到了许多困难，首先当时的电子束品质较差，难以单程获得足够的增益，其次从真空紫外开始的短波长波段缺乏相应的种子光源和合适的光学谐振腔反射材料，这从根本上制约了振荡器型FEL的波长覆盖范围。 [原创文章：www.11jj.com]

为突破这一瓶颈，科学家们又提出和发展了高增益FEL理论，开辟了产生短波长自由电子激光的新途径，直接促使了X 射线FEL 的出现。1980 年，A. Kondradenko 和E. Saldin 等人提出了单次放大的FEL 理论。1984 年，C. Pellegrini 与R. Bonifacio 等人提出了自放大自发辐射的概念(SASE)。电子束通过在波荡器中与自发辐射场作用产生微聚束，进而使起源于噪声的自发辐射在后续的长波荡器中得到指数放大直至饱和。

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80 年代以来，加速器技术上，特别是低发射度注入器和束流操控等，取得了长足进步，高亮度光阴极微波电子枪的发展和完善使得基于电子直线加速器的高增益FEL 成为可能。1996 年，SASE模式首次在UCLA得到实验验证，高增益理论首次被实验证实。在此基础上，人们开始考虑将FEL向更短波长和全相干推进，多台试验装置先后完成了更短波长的高增益自由电子激光的饱和出光。1999 年，美国APS 的LEUTL 装置实现了可见光波段的SASE 出光， 2001 年，德国DESY的TTF FEL 在真空深紫外波段实现了~100 nm的SASE的饱和出光并完成第一个用户实验。SASE型自由电子激光具有极好的空间相干性，但由其自身原理决定的时间相干性、波长和强度稳定性尚不够理想，为克服这一缺陷美国科学家L. Yu 于1990 年提出了HGHG原理，并随后在布鲁克海文国家实验室的DUV FEL装置上实现了紫外波段的HGHG型自由电子激光的饱和放大。

本世纪初开始高增益自由电子激光进入了用户装置投入运行的新阶段，2006 年TTF升级为用户装置FLASH 并实现了13 nm SASE 出光，两年后FLASH实现6.5 nm SASE 出光并取得了一批前沿研究成果。2009 年4 月，美国SLAC 的直线加速器相干光源LCLS 首次实现了0.15 nmSASE出光，并于2009 年9 月开始用户实验，这标志着人类进入了硬X 射线FEL 时代。2011 年6 月，..的SACLA成功实现了0.06 nm SASE出光，成为世界上波长最短的硬X 射线激光。2013 年，意大利FERMI-FEL 的两级级联HGHG出光，获得了4 nm的全相干自由电子激光，这是世界上首个种子型X射线FEL。2016 年至2017年，韩国PAL-FEL、瑞士Swiss FEL和世界上首个基于超导的硬X 射线FEL 装置EuropeanXFEL 相继实现出光，并迅速开始用户实验。在此基础上，基于连续波超导直线加速器的美国LCLS-II和中国X 射线自由电子激光项目——SHINE分别于2015 年和2018 年动工建设。图4给出了目前国际上运行的、在建的和计划建造的X 射线FEL 装置，可见这些装置主要集中在北美、欧洲和东亚，表1 给出了这些装置的主要参数，图5 给出了这些装置的鸟瞰图，可以看到自由电子激光通常与第三代同步辐射放置于同一园区，从而构成光子科学研究中心。

图4 国际上的X射线FEL装置分布

表1 国际上X射线FEL装置的主要参数