美國政府顧問小組近日提議，美國需要建造一種能夠?qū)㈦娮釉诓牧戏磻?yīng)和化學(xué)反應(yīng)中的活動軌跡成像的新型X射線激光器。

　　能源部下屬的基礎(chǔ)能源科學(xué)咨詢委員會（BESAC）已經(jīng)駁回了提交的關(guān)于未來X射線光源的4份提案，取而代之的是一個更具雄心的計劃。BESAC表示，如果各方面力量能夠齊心協(xié)力，該方案是完全可以實現(xiàn)的。

　　麻省理工學(xué)院加速器物理學(xué)家、曾在BESAC研究該課題的William Barletta認(rèn)為：委員會所期望的機(jī)器將會是一種“自由電子激光器”，可以利用磁力來扭動電子光束，從而發(fā)射出連續(xù)的X射線。至于這種新型激光器的規(guī)格，委員會建議它應(yīng)能提供快速的X射線脈沖重復(fù)率以及較廣的X射線光子能量范圍。

　　這一想法與美國勞倫斯伯克利國家實驗室的一項提案不謀而合。勞倫斯伯克利國家實驗室提議，“下一代光源”（NGLS）這種自由電子激光器使用一種受超導(dǎo)磁體加速的電子光束。該提案已通過能源部審核，但還須經(jīng)過國會的詳細(xì)審查。

　　但是NGLS所能提供的能量范圍還未達(dá)到顧問小組的期望，而與斯坦福線性加速器中心的相應(yīng)提案范圍相吻合。該中心提議對線性相干光源（LCLS）系統(tǒng)進(jìn)行升級這是一種已投入運(yùn)行的自由電子激光器。

　　Barletta說，顧問小組認(rèn)為，無論是NGLS項目還是待升級的LCLS項目都各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，兩個實驗室需要通力協(xié)作，尋求共識，取人之長，補(bǔ)己之短。

　　該顧問小組也聽取了支持“終極儲存環(huán)”的聲音。終極儲存環(huán)已經(jīng)在一些美國的國家實驗室中使用，其功能與X射線同步加速器相似，能夠發(fā)射連續(xù)的X射線，并且可以循環(huán)利用光束，以達(dá)到節(jié)能效果。

　　Barletta認(rèn)為研究終極儲存環(huán)提案最關(guān)鍵的一點(diǎn)是：能源部應(yīng)當(dāng)仔細(xì)評估并認(rèn)真審查升級已有同步加速器的方案，以確認(rèn)將經(jīng)費(fèi)花在建造新型終極儲存環(huán)上是否更值得。另外，瑞典、巴西、日本等國家正在建造比美國更先進(jìn)的同步加速器。

　　自由電子激光器的工作原理

　　自由電子激光器是加速器和激光技術(shù)的組合。其主要技術(shù)組成是電子加速器、磁擺動器(大多數(shù)自由電子激光器的研究都采用靜磁擺動器)、光子光學(xué)系統(tǒng)和各種監(jiān)測、控制系統(tǒng)。

　　自由電子激光器采用的是射頻直線加速器、電子儲存環(huán)、靜電加速器、感應(yīng)直線加速器等脈沖裝置。從加速器引出的高能電子束相當(dāng)于激光工作物質(zhì)， 因而電子束質(zhì)量的好壞直接影響著整個激光器性能。相對論電子束從激光共振腔的一端注入經(jīng)過擺動器時， 受到空間周期性變化的橫向靜磁場作用。磁場由一組“擺動器”或“波蕩器”的磁鐵產(chǎn)生。磁鐵以交替極性方式布置， 磁場為螺旋式或平面式。在該磁場作用下， 電子束在磁擺動器中一邊前進(jìn)， 一邊有橫向擺動。例如， 周期性磁場在水平面內(nèi)， 電子則周期性地上下擺動。電子的橫向及運(yùn)動方向的改變， 表明電子有加速度。根據(jù)電磁輻射理論， 電子有加速就必然會輻射電磁波。這種帶電粒子沿彎曲軌道運(yùn)動而輻射電磁波， 被稱為同步輻射。同步輻射有一個比較寬的頻率輻射范圍， 但缺乏單色性和相干性。這種自發(fā)輻射一般不很強(qiáng)， 峰值電流100A， 脈寬幾皮秒的50M ev能量電子束在典型擺動器中將產(chǎn)生1W 量級峰值自發(fā)輻射功率。

　　在磁場的作用下， 電子受到一個作用力而偏離直線軌道， 并產(chǎn)生周期性聚合和發(fā)散作用。這相當(dāng)于一個電偶極子， 在滿足共振關(guān)系的情況下電子的橫向振蕩與散射光場相互耦合， 產(chǎn)生了作用在電子上的縱向周期力——有質(zhì)動力。在有質(zhì)動力的作用下， 電子束的縱向密度分布受到調(diào)制。于是， 電子束被捕獲和軸向群聚。這種群聚后的電子束與腔內(nèi)光場(輻射場)進(jìn)一步相互作用， 會產(chǎn)生受激散射光， 使光場能量增加， 得到具有相干性的激光。這是通過自發(fā)輻射光子和電子相互作用的反饋機(jī)制， 把自發(fā)輻射轉(zhuǎn)換成窄帶相干輻射。而且此輻射電磁波在電子運(yùn)動的方向上強(qiáng)度最大。因此， 擺動器促成了自由電子激光器中電子和光子間的相互作用。在電子通過擺動器后， 利用彎曲磁鐵把電子和光分離。凡是能使自由電子產(chǎn)生自發(fā)輻射的各種機(jī)理幾乎都可以產(chǎn)生受激輻射， 如受激康普頓輻射、受激韌致輻射、受激切倫柯夫輻射、受激喇曼散射、受激電磁沖擊輻射等等。因此， 相對應(yīng)有康普頓激光器、磁韌致激光器、切倫柯夫激光器、喇曼激光器等等。

　　以磁韌致激光器為例， 磁韌致激光器的工作原理是基于康普頓散射效應(yīng)和磁韌致輻射效應(yīng)。被加速的電子通過周期性磁場時， 因受磁場作用產(chǎn)生磁韌致輻射效應(yīng)而激勵電磁波。按洛倫茲變換， 周期橫向磁場變成既有磁場又有電場的電磁波。該磁場對電子的作用就象迎面而來的入射光波一樣可以產(chǎn)生康普頓散射， 從而誘發(fā)受激輻射。在這個過程中， 電子釋放的光能大部分被磁場中別處的電子所吸引， 但只有波長λ滿足λ= λq /2γ2的光才被放大。受激康普頓散射才是激光。 要產(chǎn)生受激康普頓散射， 必須使高能電子與電磁波( 光子)發(fā)生作用。根據(jù)理論計算， 磁韌致輻射產(chǎn)生的電磁波其強(qiáng)度可以相當(dāng)大， 其頻率可以很高。放大后的光輻射被限制在光學(xué)諧振腔內(nèi)， 被兩塊彼此相對的反射鏡來回反射， 其往返與脈沖電子束同步， 且通過波蕩器調(diào)節(jié)鏡子間隔而產(chǎn)生相干振蕩.這個電磁波(光子)作為入射激勵波再與新的電子束混合放大， 使光輻射得到進(jìn)一步相干放大， 而輸出高功率的激光脈沖。因此， 當(dāng)一束高能電子注通過周期橫向靜磁場時， 可以獲得強(qiáng)大的激光輸出。在振蕩場合下， 光學(xué)諧振腔是一個重要的部件。光學(xué)諧振腔要求有寬通帶特性， 以適應(yīng)在較寬的波長范圍內(nèi)工作； 光損耗要盡可能減小， 以便于起振。在低增益系統(tǒng)中， 光學(xué)諧振作用是提供反饋和為合適性能所需的光學(xué)模式提供選擇。高增益自由電子激光器則往往不需用光學(xué)諧振腔就以產(chǎn)生自放大的自發(fā)輻射?？梢?， 自由電子激光器的發(fā)展， 可以說是同步輻射和受激輻射的巧妙結(jié)合。它消除了同步輻射所帶來的非單色性和非相干性的缺陷。

　　控制系統(tǒng)是整個自由電子激光器各部分協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在， 對能否出光起著決定性的作用。它主要由控制臺和觸發(fā)系統(tǒng)兩大部分組成。

　　自由電子激光器的波長決定于電子束的速度、電子能量、磁擺動的周期。因此， 通過調(diào)節(jié)加速電子的能量或者外設(shè)電磁場的強(qiáng)度， 很容易改變輻射光的波長， 以實現(xiàn)大范圍的調(diào)諧。

　　按照電子束的束流大小， 自由電子激光器( FEL ) 可分為拉曼型( R am an 型) 和康普頓型( Com ptou型)。工作在可見光或紅外波段的康普頓型自由電子激光器(高電子能量、低電子密度) 把激光器波段推向了短波甚至到X 射線； 工作在毫米和亞毫米波段的拉曼型自由電子激光器(低電子能量， 高電子密度) 填補(bǔ)了可見光， 紅外光到微波之間的波段。

　　現(xiàn)有的大多數(shù)自由電子激光器產(chǎn)生的輻射都由短脈沖組成， 自由電子激光器有可能產(chǎn)生脈寬僅幾個飛秒的超短脈沖， 單脈沖能量達(dá)到毫焦耳量級。

        全球爭相發(fā)展X射線自由電子激光裝置

　　近日，韓國浦項加速器研究所的“夢想光工廠”——第四代放射光加速器（PAL-XFEL）項目正式宣告開工建設(shè)。目前，浦項研究所正在運(yùn)轉(zhuǎn)的第三代放射光加速器全長170米，激光能源為3GeV（1GeV = 10億eV），光的亮度為太陽的一億倍左右。而第四代放射光加速器長達(dá)710米，加上插入裝置（250米）和其他裝備的話，全長將達(dá)1100米。據(jù)悉，現(xiàn)在只有美國（LCLS）和日本（SCSS）擁有這一性能的放射光加速器。如果該第四代放射光加速器能夠按照計劃在2014年年末竣工，韓國將成為第三個擁有這一設(shè)備的國家，屆時將制造出比太陽還要亮100萬萬億倍的光線。

　　目前對X射線自由電子激光裝置的科學(xué)需求十分強(qiáng)烈，對于建設(shè)高亮度多用戶的新裝置存在普遍的呼聲和期待。除已經(jīng)建成的美國、歐洲和日本的大型自由電子激光裝置以外，意大利、美國、韓國和瑞士等國家也在建設(shè)軟X射線到硬X射線的新用戶裝置。

　　世界范圍內(nèi)的高增益X射線自由電子激光裝置進(jìn)入高速發(fā)展階段，第四代先進(jìn)光源的概念和全球布局已經(jīng)初步形成。

　　世界上第一臺軟X射線自由電子激光（FLASH）于2006年誕生于德國同步加速器實驗室（DESY），第一臺硬X射線自由電子激光（LCLS）也于2009年在美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）調(diào)試成功，迄今為止科學(xué)家們已經(jīng)利用這兩臺最新的超高亮度相干輻射光源做出了一系列開創(chuàng)性的科學(xué)研究成果。此外，還有數(shù)臺X射線FEL正在亞洲、歐洲和美國等地建設(shè)和預(yù)研中。日本的硬X射線自由電子激光裝置SACLA于2011年6月受激出光，創(chuàng)造了波長短于1nm的新紀(jì)錄。意大利的軟X射線自由電子激光裝置FERMI也于2010年12月出光，并已開始了用戶實驗。中國軟X射線自由電子激光試驗裝置的項目建議書已于2011年2月得到國家發(fā)改委的正式批復(fù)，預(yù)計將在2015年提供高品質(zhì)的軟X射線自由電子激光，與同一園區(qū)內(nèi)的上海光源優(yōu)勢互補(bǔ)，構(gòu)成具有世界先進(jìn)水平的光子科學(xué)研究平臺。楊振寧8次呼吁中國盡快開展X射線自由電子激光研究

　　2009年，我國世界一流的中能“第三代同步輻射光源”——上海光源（SSRF）的竣工驗收，我國也已經(jīng)積極進(jìn)行更先進(jìn)光源的前瞻部署。

　　出于對中國發(fā)展XFEL的極大關(guān)注，楊振寧先生早前參加“X射線自由電子激光（XFEL）的最新進(jìn)展”報告時指出，XFEL將在21世紀(jì)前期取得重大突破性發(fā)展，此項技術(shù)目前還在發(fā)展的初始階段，正是中國參與的上好機(jī)會。他相信中國人的聰明才智，相信黨和政府的杰出組織能力，只要給予足夠重視，定能在該領(lǐng)域進(jìn)入世界先進(jìn)行列。楊振寧先生從1997年5月開始還先后8次給我國有關(guān)部門和有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)寫信，呼吁中國盡快開展XFEL的預(yù)研究。為此，國家科學(xué)技術(shù)中長期發(fā)展計劃相關(guān)研究報告已明確建議“立即制訂并分階段實施從深紫外起步以X射線為最終目標(biāo)的自由電子激光系統(tǒng)總體發(fā)展計劃”。

　　據(jù)中國科學(xué)院副院長江綿恒在接受新華社記者采訪時介紹，中國科學(xué)院正在進(jìn)行“第四代光源”---自由電子激光光源的預(yù)研，并已經(jīng)做出了“很好的結(jié)果”。早在1994年，高能所曾研制成功中紅外波段的北京自由電子激光裝置，在亞洲第一個實現(xiàn)了飽和出光。自2000年起，在中國科學(xué)院、科技部、國家自然科學(xué)基金委的先后支持下，上海應(yīng)用物理所、高能所和中國科技大學(xué)以及北京大學(xué)已聯(lián)合開展深紫外自由電子激光的前期和預(yù)制研究工作。但這些部署對于發(fā)展X射線自由電子激光過于薄弱，我國要跨越發(fā)展到X射線自由電子激光，仍存在很多的技術(shù)空白和技術(shù)難點(diǎn)。

　　江綿恒還表示，自由電子激光光源已在國際上加速發(fā)展起來，美國SLAC的X射線自由電子激光已經(jīng)出光，德國、日本、韓國等也均已起步，并已被提到戰(zhàn)略高度予以部署和實施，我國也應(yīng)該加快發(fā)展自由電子激光光源。希望在預(yù)研后，再向國家申請建設(shè)硬X射線的用戶裝置，就可以將我國與先進(jìn)國家在光子科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展差距縮短到10—15年。

　　此前，中國科學(xué)院已經(jīng)向國家建議，在上海光源的北面，建設(shè)一臺軟X射線自由電子激光試驗裝置，開展短波長自由電子激光裝置的預(yù)先研究。據(jù)悉，今年總長為300米的第四代光源裝置“上海X射線自由電子激光”有望在上海張江科技園區(qū)內(nèi)動工，標(biāo)志著我國大型先進(jìn)光源的發(fā)展進(jìn)入全新的階段。

　　歐洲X射線自由電子激光裝置

　　去年7月，歐洲X射線自由電子激光裝置（XFEL）建設(shè)工程取得了階段性進(jìn)展，全長近5.8公里的網(wǎng)絡(luò)隧道建設(shè)工作順利完成。歐洲XFEL公司為此舉行了慶祝儀式，來自項目國際合作伙伴、德國聯(lián)邦政府和學(xué)術(shù)界代表共400多人參加了此次活動。

　　XFEL項目隧道網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作于2010年啟動，按計劃共分為11個部分，其中加速器地下隧道部分長約2.1公里，外部隧道長約3.4公里。在此之后，項目隧道施工將進(jìn)入基礎(chǔ)設(shè)備和安全裝置安裝階段，具體包括超導(dǎo)電子直線加速器、光子隧道、波蕩線和實驗大廳等。2015年底，歐洲XFEL將正式投入運(yùn)行。

　　歐洲X射線自由電子激光裝置（XFEL）建成運(yùn)行后可產(chǎn)生近似激光但波長不到十分之一納米的X射線閃光，其亮度比現(xiàn)有第三代光源高9個數(shù)量級，將有力促進(jìn)在原子尺度開展有機(jī)/無機(jī)材料內(nèi)部分析、化學(xué)反應(yīng)過程拍攝、納米三維圖像制作、星球內(nèi)部過程研究等領(lǐng)域研究工作。 深入內(nèi)部揭秘美國JLab的自由電子激光器

　　美國托馬斯杰斐遜國家加速器裝置TJNAF（Thomas Jefferson National Accelerator Facility），俗稱杰斐遜實驗室（Jefferson Lab）或JLab。JLab位于美國弗吉尼亞州紐波特紐斯（Newport News），是美國能源部科學(xué)局下屬的國家實驗室。

JLab自由電子激光器位置示意圖

　　JLab的自由電子激光器是一個亞皮秒光源，覆蓋范圍從250納米的紫外至14微米中紅外可調(diào)諧，脈沖能量達(dá)300 mJ，重復(fù)頻率達(dá)75 MHz。并非所有的參數(shù)都可同時滿足，但10 kW的平均功率已在紅外被證明。

JLab自由電子激光實驗樓 上層是實驗室，自由電子激光器在下層

　　JLab的自由電子激光器基于一種稱為能量回收型的直線加速器。電子從左下方的源釋放，并且在超導(dǎo)直線加速器中加速。從這個直線加速器出現(xiàn)后，電子通過一個在其中心有扭擺磁鐵的激光腔。這個扭擺磁鐵引起電子振蕩，發(fā)出光，該光在腔內(nèi)被捕獲，用來誘導(dǎo)電子放射出更多的光。退出光學(xué)腔后，電子然后沿著頂部回路回到直線加速器。在這里，它們將自己的大部分能量給到新一批的電子，使該過程高度有效。該激光器始于1 kW的自由電子激光器演示計劃，1999年8月完成調(diào)試，2001年停止使用。1999年10月，2000年2月、7月和10月，2001年2月、6月、8月和10月，作為用戶裝置運(yùn)行，為大約30個組提供用戶束流約3000小時。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　在準(zhǔn)備將升級到10 kW的功率水平前，該激光器達(dá)到了兩倍于設(shè)計水平的2.1 kW的功率輸出。2004年7月21日，在6微米的波長取得了10 kW的連續(xù)光。2006年10月30日在1.6微米取得14.2 kW的連續(xù)光。因為在紅外線波段得到如此高的輸出功率，波長越短就越困難。因此這是一個很大的成功，取決于極具創(chuàng)新的設(shè)計，克服了在達(dá)到如此高的功率的過程中遇到的種種困難。由于最初證明原理的光源能力超過既定的傳統(tǒng)光源的能力，所以最初的實驗產(chǎn)生了100篇論文，登載在重要期刊上。

　　計劃將自由電子激光在紫外線擴(kuò)展為250納米。電子的短脈沖還產(chǎn)生幾百瓦的寬帶太赫茲光，這種光在一個特殊的用戶實驗室提供。

　　JLab自由電子激光器覆蓋了從紫外線250納米至中紅外14微米范圍，脈沖能量高達(dá)300微焦耳，重復(fù)率高達(dá)75兆赫。并非所有的參數(shù)都可以同時滿足，但在平均超過10千瓦的功率已在紅外得到證明。

        自由電子激光器的改進(jìn)能夠使其在更廣的波長范圍內(nèi)運(yùn)行，即從紫外0.25微米到15 微米，平均功率高到10000瓦，可調(diào)性更快。

　　增加兩個超導(dǎo)直線加速器部件，改進(jìn)后的裝置能量從 40 MeV 提高到160 MeV，束流的平均電流從 5 mA提高到 10 mA，通過采用光學(xué)速調(diào)管，使引出效率提高2倍。紫外線區(qū)，將采用單獨(dú)的光學(xué)腔體和扭擺磁鐵。

2010年8月19日，紫外自由電子激光器獲得第一個700納米的激光波長，并迅速達(dá)到了100 W的功率水平。隨后，在2010年8月31日，激光波長達(dá)到400納米，當(dāng)天晚些時候降到363納米。

　　2010年12月9日，紫外自由電子激光器首次成功產(chǎn)生10 eV的光子。運(yùn)行在基波370納米的紫外演示自由電子激光器上的孔耦合輸出鏡將真空紫外諧波光傳送到校準(zhǔn)的真空紫外二極管。對每10eV微脈沖中5納米焦耳完全相干光（39光子）進(jìn)行測量，約占基波能源的0.1％，符合預(yù)期。至12月底，波長達(dá)到124納米。

　　這項研究奇跡將為許多以前無法進(jìn)行的研究打開一扇大門。例如，可以用來測定物質(zhì)的年齡，這些物質(zhì)存在的時間可能超出了碳元素年代測定法可以測定的年代。放射性碳測定法使科學(xué)家能估算很多年齡超過6.2萬歲的物質(zhì)的年代。放射性氪測定法使科學(xué)家能測定10萬到100萬年前的物質(zhì)，而從自由電子激光器發(fā)出的這種10 eV的光可以產(chǎn)生亞穩(wěn)定的氪原子。另外，這種方法有助于研究海洋環(huán)流模式，并且繪制出地下水的運(yùn)動情況，同時測算極地冰的年代。

       2011年2月28日，自由電子激光器的紫外光從樓上被引到實驗室的光傳輸系統(tǒng)，首次進(jìn)入用戶實驗室4。從2011年3月1日起，把真空紫外光送到用戶實驗室1用于表征和以備未來之用。

　　一項極富挑戰(zhàn)的方案已經(jīng)到位，即將自由電子激光的脈沖縮短到阿秒范圍，以滿足波長可完全調(diào)的器件中的時間前沿和高磁場。升級后的自由電子激光也將包括kW規(guī)模的紫外線能力。