高增益自由电子激光与晶体学发展

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1、2014国际晶体学年专题高增益自由电子激光与晶体学发展赵振堂王东何建华（中国科学院上海应用物理研究所201800）高增益自由电子激光原理自由电子激光（FreeElectronLaser，简写为FEL）是以相对论性电子束为放大介质、基于电磁辐射机制的相干光源。自由电子激光原理是20世纪70年代中期发展起来的，1976年，美国的梅迪（J.M.J.Madey）博士等人首次在实验上证实了振荡器型低增益FEL的原理，引起科技界极大的兴趣。20世纪80年代，科学家们提出了SASE（SelfAmplifiedSpontaneous

2、Emission，自放大自发辐射）高增益自由电子激光原理（图1）。自由电子激光的基本思想在于电磁场辐射的相干叠加和放大。单个电子经过一块偏转磁铁发出的同步辐射谱大多是在一定范围内连续分布的，通过合理地选择波荡器（由一系列N和S磁图1高增益FEL基本原理，B.W.J.McNeilandNeilR.极交替排列组成的磁铁阵列）和电子束参数，使各个Thompson,Naturephotonics,4,814-821(2010)。（左：非相干辐射，电子的同步辐射在一定的波长上相干地叠加，即可产电子束在辐射波长范围内随机分布；

3、右：相干辐射，电子束被集聚生相干的辐射。在SASE工作模式下，电子自己发出到间距为辐射波长的较小空间内）的同步辐射会对电子束本身进行密度调制，在较长的产生高亮度的自由电子激光。20世纪90年代以来，波荡器中，在电子束团内部微观尺度上会出现以辐射随着高亮度光阴极电子枪技术的成熟以及束团压缩及波长为周期的密度集中，被称为微聚束，这些周期性束流品质控制技术的发展使短波长SASE变成可能。的电子集聚将导致辐射的相干叠加，而这种更强的辐1996年，美国UCLA（UniversityofCalifornia,LosAngles

4、）首次在可见光波段完成了SASE的实验验证，射会进一步加强这种集聚，最后形成一个正反馈的过包括指数增益及饱和等特性。2000年，美国阿贡国家程，从而使FEL相干辐射被指数放大直至饱和。FEL实验室在LEUTL装置上成功实现了紫外波段SASE-的波长由电子束能量和波荡器周期长度决定，能量越FEL（385nm）输出。同年，德国DESY的TTF-FEL高或波荡器周期长度越短则辐射波长越短，可以覆盖实现了～100nmSASE，并于次年达到饱和功率输出整个X射线波段区。并开始第一个用户实验。2006年3月，DESYTTF-Ⅱ

5、（现基于高增益原理的自由电子激光光源称FLASH）的13.1nmSASE出光，两年后，FLASHSASE高增益自由电子激光装置主要由电子枪、直线加速器和波荡器几个部分构成。如图2所示，在该装置中，电子枪用于产生低发射度的电子束，电子束通过直线加速器加速到所需的能量，并在中间适当的地方通过压缩系统缩短束团长度以获得所需的高峰图2高增益自由电子激光装置构成（赵振堂、王东，《激值流强，最后通过足够长的波荡器磁铁系统来放大光与光电子学进展》，50，080001（2013））26卷第5期(总155期)312014国际晶体学年

6、专题实现6.5nmSASE出光，将高增益FEL推进到了软X射线波段。经过近30年持续不断的努力，2009年，基于SASE高增益原理的美国直线相干光源LCLS（LinacCoherentLightSource）首次成功地实现了波长为0.15nm、脉冲能量为毫焦耳级、脉冲长度为飞秒级以及近100%空间相干性的硬X射线FEL的饱和出光，这标志着FEL正式进入了硬X射线时代。2010年10月，FLASH在能量提升的条件下，实现了4.1nm水窗波段的软X射线自由电子激光。2011年6月，日本SPring-8的SACLA成功实

7、现了0.06nmSASE出图3高增益自由电子激光的主要类型：（a）自放大自发辐光，成为目前世界上波长最短的硬X射线激光。欧洲射FEL，（b、c）外种子型FEL（Z.T.Zhao,etal.,Naturephotonics,6,的EuropeanXFEL装置、瑞士的SwissFEL以及韩国360～363,2012）的PALXFEL装置目前都已进入建设阶段。行滤波来产生带宽较窄的X射线辐射，然后用其作为同时具备高空间分辨率、高时间分辨率和高能量种子在后一半波荡器中调制同一电子束放大产生自由分辨率的X射线FEL的出现，使

8、现有的研究手段出电子激光，从而获得更纯的光谱特性。2012年美国现了跨越式发展，相关科学研究进入了一个全新的阶LCLS对自种子工作模式进行了实验验证，实验结果段。X射线FEL飞秒的时间“透镜”将使人们可以捕表明自种子工作模式可以大大减小输出光谱带宽。目捉到微观尺度下结构、功能及其转化过程的关联，这前，自种子工作模式已被应用于光源用户实验。是诸多前沿学科特别是