美國政府顧問小組近日提議，美國需要建造一種能夠將電子在材料反應和化學反應中的活動軌跡成像的新型X射線激光器。

　　能源部下屬的基礎能源科學谘詢委員會(hui) （BESAC）已經駁回了提交的關(guan) 於(yu) 未來X射線光源的4份提案，取而代之的是一個(ge) 更具雄心的計劃。BESAC表示，如果各方麵力量能夠齊心協力，該方案是完全可以實現的。

　　麻省理工學院加速器物理學家、曾在BESAC研究該課題的William Barletta認為(wei) ：委員會(hui) 所期望的機器將會(hui) 是一種“自由電子激光器”，可以利用磁力來扭動電子光束，從(cong) 而發射出連續的X射線。至於(yu) 這種新型激光器的規格，委員會(hui) 建議它應能提供快速的X射線脈衝(chong) 重複率以及較廣的X射線光子能量範圍。

　　這一想法與(yu) 美國勞倫(lun) 斯伯克利國家實驗室的一項提案不謀而合。勞倫(lun) 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磁體(ti) 加速的電子光束。該提案已通過能源部審核，但還須經過國會(hui) 的詳細審查。

　　但是NGLS所能提供的能量範圍還未達到顧問小組的期望，而與(yu) 斯坦福線性加速器中心的相應提案範圍相吻合。該中心提議對線性相幹光源（LCLS）係統進行升級這是一種已投入運行的自由電子激光器。

　　Barletta說，顧問小組認為(wei) ，無論是NGLS項目還是待升級的LCLS項目都各有優(you) 點和缺點，兩(liang) 個(ge) 實驗室需要通力協作，尋求共識，取人之長，補己之短。

　　該顧問小組也聽取了支持“終極儲(chu) 存環”的聲音。終極儲(chu) 存環已經在一些美國的國家實驗室中使用，其功能與(yu) X射線同步加速器相似，能夠發射連續的X射線，並且可以循環利用光束，以達到節能效果。

　　Barletta認為(wei) 研究終極儲(chu) 存環提案最關(guan) 鍵的一點是：能源部應當仔細評估並認真審查升級已有同步加速器的方案，以確認將經費花在建造新型終極儲(chu) 存環上是否更值得。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的組合。其主要技術組成是電子加速器、磁擺動器(大多數自由電子激光器的研究都采用靜磁擺動器)、光子光學係統和各種監測、控製係統。

　　自由電子激光器采用的是射頻直線加速器、電子儲(chu) 存環、靜電加速器、感應直線加速器等脈衝(chong) 裝置。從(cong) 加速器引出的高能電子束相當於(yu) 激光工作物質， 因而電子束質量的好壞直接影響著整個(ge) 激光器性能。相對論電子束從(cong) 激光共振腔的一端注入經過擺動器時， 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(chan) 生。磁鐵以交替極性方式布置， 磁場為(wei) 螺旋式或平麵式。在該磁場作用下， 電子束在磁擺動器中一邊前進， 一邊有橫向擺動。例如， 周期性磁場在水平麵內(nei) ， 電子則周期性地上下擺動。電子的橫向及運動方向的改變， 表明電子有加速度。根據電磁輻射理論， 電子有加速就必然會(hui) 輻射電磁波。這種帶電粒子沿彎曲軌道運動而輻射電磁波， 被稱為(wei) 同步輻射。同步輻射有一個(ge) 比較寬的頻率輻射範圍， 但缺乏單色性和相幹性。這種自發輻射一般不很強， 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(chan) 生1W 量級峰值自發輻射功率。

　　在磁場的作用下， 電子受到一個(ge) 作用力而偏離直線軌道， 並產(chan) 生周期性聚合和發散作用。這相當於(yu) 一個(ge) 電偶極子， 在滿足共振關(guan) 係的情況下電子的橫向振蕩與(yu) 散射光場相互耦合， 產(chan) 生了作用在電子上的縱向周期力——有質動力。在有質動力的作用下， 電子束的縱向密度分布受到調製。於(yu) 是， 電子束被捕獲和軸向群聚。這種群聚後的電子束與(yu) 腔內(nei) 光場(輻射場)進一步相互作用， 會(hui) 產(chan) 生受激散射光， 使光場能量增加， 得到具有相幹性的激光。這是通過自發輻射光子和電子相互作用的反饋機製， 把自發輻射轉換成窄帶相幹輻射。而且此輻射電磁波在電子運動的方向上強度最大。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。在電子通過擺動器後， 利用彎曲磁鐵把電子和光分離。凡是能使自由電子產(chan) 生自發輻射的各種機理幾乎都可以產(chan) 生受激輻射， 如受激康普頓輻射、受激韌致輻射、受激切倫(lun) 柯夫輻射、受激喇曼散射、受激電磁衝(chong) 擊輻射等等。因此， 相對應有康普頓激光器、磁韌致激光器、切倫(lun) 柯夫激光器、喇曼激光器等等。

　　以磁韌致激光器為(wei) 例， 磁韌致激光器的工作原理是基於(yu) 康普頓散射效應和磁韌致輻射效應。被加速的電子通過周期性磁場時， 因受磁場作用產(chan) 生磁韌致輻射效應而激勵電磁波。按洛倫(lun) 茲(zi) 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麵而來的入射光波一樣可以產(chan) 生康普頓散射， 從(cong) 而誘發受激輻射。在這個(ge) 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， 但隻有波長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(chan) 生受激康普頓散射， 必須使高能電子與(yu) 電磁波( 光子)發生作用。根據理論計算， 磁韌致輻射產(chan) 生的電磁波其強度可以相當大， 其頻率可以很高。放大後的光輻射被限製在光學諧振腔內(nei) ， 被兩(liang) 塊彼此相對的反射鏡來回反射， 其往返與(yu) 脈衝(chong) 電子束同步， 且通過波蕩器調節鏡子間隔而產(chan) 生相幹振蕩.這個(ge) 電磁波(光子)作為(wei) 入射激勵波再與(yu) 新的電子束混合放大， 使光輻射得到進一步相幹放大， 而輸出高功率的激光脈衝(chong) 。因此， 當一束高能電子注通過周期橫向靜磁場時， 可以獲得強大的激光輸出。在振蕩場合下， 光學諧振腔是一個(ge) 重要的部件。光學諧振腔要求有寬通帶特性， 以適應在較寬的波長範圍內(nei) 工作； 光損耗要盡可能減小， 以便於(yu) 起振。在低增益係統中， 光學諧振作用是提供反饋和為(wei) 合適性能所需的光學模式提供選擇。高增益自由電子激光器則往往不需用光學諧振腔就以產(chan) 生自放大的自發輻射。可見， 自由電子激光器的發展， 可以說是同步輻射和受激輻射的巧妙結合。它消除了同步輻射所帶來的非單色性和非相幹性的缺陷。

　　控製係統是整個(ge) 自由電子激光器各部分協調運轉的關(guan) 鍵所在， 對能否出光起著決(jue) 定性的作用。它主要由控製台和觸發係統兩(liang) 大部分組成。

　　自由電子激光器的波長決(jue) 定於(yu) 電子束的速度、電子能量、磁擺動的周期。因此， 通過調節加速電子的能量或者外設電磁場的強度， 很容易改變輻射光的波長， 以實現大範圍的調諧。

　　按照電子束的束流大小， 自由電子激光器( FEL ) 可分為(wei) 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(ya) 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) 填補了可見光， 紅外光到微波之間的波段。

　　現有的大多數自由電子激光器產(chan) 生的輻射都由短脈衝(chong) 組成， 自由電子激光器有可能產(chan) 生脈寬僅(jin) 幾個(ge) 飛秒的超短脈衝(chong) ， 單脈衝(chong) 能量達到毫焦耳量級。

        全球爭(zheng) 相發展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。目前，浦項研究所正在運轉的第三代放射光加速器全長170米，激光能源為(wei) 3GeV（1GeV = 10億(yi) eV），光的亮度為(wei) 太陽的一億(yi) 倍左右。而第四代放射光加速器長達710米，加上插入裝置（250米）和其他裝備的話，全長將達1100米。據悉，現在隻有美國（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(wei) 第三個(ge) 擁有這一設備的國家，屆時將製造出比太陽還要亮100萬(wan) 萬(wan) 億(yi) 倍的光線。

　　目前對X射線自由電子激光裝置的科學需求十分強烈，對於(yu) 建設高亮度多用戶的新裝置存在普遍的呼聲和期待。除已經建成的美國、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軟X射線到硬X射線的新用戶裝置。

　　世界範圍內(nei) 的高增益X射線自由電子激光裝置進入高速發展階段，第四代先進光源的概念和全球布局已經初步形成。

　　世界上第一台軟X射線自由電子激光（FLASH）於(yu) 2006年誕生於(yu) 德國同步加速器實驗室（DESY），第一台硬X射線自由電子激光（LCLS）也於(yu) 2009年在美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）調試成功，迄今為(wei) 止科學家們(men) 已經利用這兩(liang) 台最新的超高亮度相幹輻射光源做出了一係列開創性的科學研究成果。此外，還有數台X射線FEL正在亞(ya) 洲、歐洲和美國等地建設和預研中。日本的硬X射線自由電子激光裝置SACLA於(yu) 2011年6月受激出光，創造了波長短於(yu) 1nm的新紀錄。意大利的軟X射線自由電子激光裝置FERMI也於(yu) 2010年12月出光，並已開始了用戶實驗。中國軟X射線自由電子激光試驗裝置的項目建議書(shu) 已於(yu) 2011年2月得到國家發改委的正式批複，預計將在2015年提供高品質的軟X射線自由電子激光，與(yu) 同一園區內(nei) 的上海光源優(you) 勢互補，構成具有世界先進水平的光子科學研究平台。楊振寧8次呼籲中國盡快開展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，我國也已經積極進行更先進光源的前瞻部署。

　　出於(yu) 對中國發展XFEL的極大關(guan) 注，楊振寧先生早前參加“X射線自由電子激光（XFEL）的最新進展”報告時指出，XFEL將在21世紀前期取得重大突破性發展，此項技術目前還在發展的初始階段，正是中國參與(yu) 的上好機會(hui) 。他相信中國人的聰明才智，相信黨(dang) 和政府的傑出組織能力，隻要給予足夠重視，定能在該領域進入世界先進行列。楊振寧先生從(cong) 1997年5月開始還先後8次給我國有關(guan) 部門和有關(guan) 領導寫(xie) 信，呼籲中國盡快開展XFEL的預研究。為(wei) 此，國家科學技術中長期發展計劃相關(guan) 研究報告已明確建議“立即製訂並分階段實施從(cong) 深紫外起步以X射線為(wei) 最終目標的自由電子激光係統總體(ti) 發展計劃”。

　　據中國科學院副院長江綿恒在接受新華社記者采訪時介紹，中國科學院正在進行“第四代光源”---自由電子激光光源的預研，並已經做出了“很好的結果”。早在1994年，高能所曾研製成功中紅外波段的北京自由電子激光裝置，在亞(ya) 洲第一個(ge) 實現了飽和出光。自2000年起，在中國科學院、科技部、國家自然科學基金委的先後支持下，上海應用物理所、高能所和中國科技大學以及北京大學已聯合開展深紫外自由電子激光的前期和預製研究工作。但這些部署對於(yu) 發展X射線自由電子激光過於(yu) 薄弱，我國要跨越發展到X射線自由電子激光，仍存在很多的技術空白和技術難點。

　　江綿恒還表示，自由電子激光光源已在國際上加速發展起來，美國SLAC的X射線自由電子激光已經出光，德國、日本、韓國等也均已起步，並已被提到戰略高度予以部署和實施，我國也應該加快發展自由電子激光光源。希望在預研後，再向國家申請建設硬X射線的用戶裝置，就可以將我國與(yu) 先進國家在光子科學領域的發展差距縮短到10—15年。

　　此前，中國科學院已經向國家建議，在上海光源的北麵，建設一台軟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先研究。據悉，今年總長為(wei) 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內(nei) 動工，標誌著我國大型先進光源的發展進入全新的階段。

　　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）建設工程取得了階段性進展，全長近5.8公裏的網絡隧道建設工作順利完成。歐洲XFEL公司為(wei) 此舉(ju) 行了慶祝儀(yi) 式，來自項目國際合作夥(huo) 伴、德國聯邦政府和學術界代表共400多人參加了此次活動。

　　XFEL項目隧道網絡建設工作於(yu) 2010年啟動，按計劃共分為(wei) 11個(ge) 部分，其中加速器地下隧道部分長約2.1公裏，外部隧道長約3.4公裏。在此之後，項目隧道施工將進入基礎設備和安全裝置安裝階段，具體(ti) 包括超導電子直線加速器、光子隧道、波蕩線和實驗大廳等。2015年底，歐洲XFEL將正式投入運行。

　　歐洲X射線自由電子激光裝置（XFEL）建成運行後可產(chan) 生近似激光但波長不到十分之一納米的X射線閃光，其亮度比現有第三代光源高9個(ge) 數量級，將有力促進在原子尺度開展有機/無機材料內(nei) 部分析、化學反應過程拍攝、納米三維圖像製作、星球內(nei) 部過程研究等領域研究工作。 深入內(nei) 部揭秘美國JLab的自由電子激光器

　　美國托馬斯傑斐遜國家加速器裝置TJNAF（Thomas Jefferson National Accelerator Facility），俗稱傑斐遜實驗室（Jefferson Lab）或JLab。JLab位於(yu) 美國弗吉尼亞(ya) 州紐波特紐斯（Newport News），是美國能源部科學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(ge) 亞(ya) 皮秒光源，覆蓋範圍從(cong) 250納米的紫外至14微米中紅外可調諧，脈衝(chong) 能量達300 mJ，重複頻率達75 MHz。並非所有的參數都可同時滿足，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於(yu) 一種稱為(wei) 能量回收型的直線加速器。電子從(cong) 左下方的源釋放，並且在超導直線加速器中加速。從(cong) 這個(ge) 直線加速器出現後，電子通過一個(ge) 在其中心有扭擺磁鐵的激光腔。這個(ge) 扭擺磁鐵引起電子振蕩，發出光，該光在腔內(nei) 被捕獲，用來誘導電子放射出更多的光。退出光學腔後，電子然後沿著頂部回路回到直線加速器。在這裏，它們(men) 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。該激光器始於(yu) 1 kW的自由電子激光器演示計劃，1999年8月完成調試，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(wei) 用戶裝置運行，為(wei) 大約30個(ge) 組提供用戶束流約3000小時。#p#分頁標題#e#

　　在準備將升級到10 kW的功率水平前，該激光器達到了兩(liang) 倍於(yu) 設計水平的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的連續光。2006年10月30日在1.6微米取得14.2 kW的連續光。因為(wei) 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(ge) 很大的成功，取決(jue) 於(yu) 極具創新的設計，克服了在達到如此高的功率的過程中遇到的種種困難。由於(yu) 最初證明原理的光源能力超過既定的傳(chuan) 統光源的能力，所以最初的實驗產(chan) 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展為(wei) 250納米。電子的短脈衝(chong) 還產(chan) 生幾百瓦的寬帶太赫茲(zi) 光，這種光在一個(ge) 特殊的用戶實驗室提供。

　　JLab自由電子激光器覆蓋了從(cong) 紫外線250納米至中紅外14微米範圍，脈衝(chong) 能量高達300微焦耳，重複率高達75兆赫。並非所有的參數都可以同時滿足，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能夠使其在更廣的波長範圍內(nei) 運行，即從(cong) 紫外0.25微米到15 微米，平均功率高到10000瓦，可調性更快。

　　增加兩(liang) 個(ge) 超導直線加速器部件，改進後的裝置能量從(cong) 40 MeV 提高到160 MeV，束流的平均電流從(cong) 5 mA提高到 10 mA，通過采用光學速調管，使引出效率提高2倍。紫外線區，將采用單獨的光學腔體(ti) 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(ge) 700納米的激光波長，並迅速達到了100 W的功率水平。隨後，在2010年8月31日，激光波長達到400納米，當天晚些時候降到363納米。

　　2010年12月9日，紫外自由電子激光器首次成功產(chan) 生10 eV的光子。運行在基波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(chuan) 送到校準的真空紫外二極管。對每10eV微脈衝(chong) 中5納米焦耳完全相幹光（39光子）進行測量，約占基波能源的0.1％，符合預期。至12月底，波長達到124納米。

　　這項研究奇跡將為(wei) 許多以前無法進行的研究打開一扇大門。例如，可以用來測定物質的年齡，這些物質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家能估算很多年齡超過6.2萬(wan) 歲的物質的年代。放射性氪測定法使科學家能測定10萬(wan) 到100萬(wan) 年前的物質，而從(cong) 自由電子激光器發出的這種10 eV的光可以產(chan) 生亞(ya) 穩定的氪原子。另外，這種方法有助於(yu) 研究海洋環流模式，並且繪製出地下水的運動情況，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(cong) 樓上被引到實驗室的光傳(chuan) 輸係統，首次進入用戶實驗室4。從(cong) 2011年3月1日起，把真空紫外光送到用戶實驗室1用於(yu) 表征和以備未來之用。

　　一項極富挑戰的方案已經到位，即將自由電子激光的脈衝(chong) 縮短到阿秒範圍，以滿足波長可完全調的器件中的時間前沿和高磁場。升級後的自由電子激光也將包括kW規模的紫外線能力。