自由電子激光器

　　自由電子激光器（FEL），所產生激光束的光學性質與傳統(tǒng)激光器一樣，具有高度相干、高能量的特點，其不同點在于其特殊的光源產生機制。傳統(tǒng)利用氣體、液體或固體（如半導體激光器）作為激光介質的激光器，其激光產生會使原本處于束縛態(tài)的原子或分子受到激發(fā)；對于FEL，激光產生則依靠將在磁場中運動的相對論電子束的動能轉換為光子能量。由于電子束可以在磁場中自由移動，故命名為“自由電子激光器”。激光產生過程中沒有傳統(tǒng)意義上的介質，不需要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，因此，這種激光不依賴于受激發(fā)射。自由電子激光器的核心是電子源（通常是粒子加速器）與相互作用區(qū)（把電子動能轉換為光子能量）。

　　由于自由電子處于連續(xù)態(tài)，從理論上說其輻射波長不受固定波長限制。自由電子激光器比任何傳統(tǒng)激光器都具有更寬的頻帶，因此調諧范圍更寬，當前可涵蓋微波，太赫茲，遠紅外，可見光區(qū)，甚紫外直至X射線。

　　自由電子激光器發(fā)明于1976年，發(fā)明者為斯坦福大學的John Madey。其研究核心基于Hans Motz的關于搖擺磁場構型的工作。Madey利用24MeV的電子束和5米長的搖擺器用于放大信號。不久之后，其他擁有加速器的實驗室也加入到這種激光器的開發(fā)中來。

　　產生機制

　　為了產生自由電子激光，一束電子被加速至接近光速（相對論速度）。之后，電子束通過由周期性橫向磁場（通過在光腔中設置與電子束行進方向成變化夾角的磁體產生）構成的自由電子振蕩器。產生周期性磁場的磁體陣列又被稱為“波蕩器(undulator)”或“搖擺體(wiggler)”，這是因為它們會作用于電子束使之形成正弦形狀的路徑。在此路徑上對電子進行加速會使之發(fā)射光子（同步輻射）。由于電子周期運動與已發(fā)射光場同相，得到的是相干疊加的光場，即自由電子激光。所發(fā)射的光波長可以通過改變電子束能量或波蕩器的磁場強度進行調節(jié)。

　　現(xiàn)狀

　　因為自由電子激光器中的電子需要具有相對論速度，產生這樣速度的電子通常是極為復雜的事情。除此以外，電子的同步質量要好，這使得當前的自由電子激光器復雜而昂貴，解決方案之一便是集成到現(xiàn)有設備中來（如位于漢堡的DESY(德國電子加速器)）。截至2006年，全球共有21臺自由電子激光器，另有15臺在建或計劃建造。盡管自由電子激光涵蓋全部光譜范圍，具體使用則是針對某一特定頻率范圍。例如，位于杜布納粒子物理實驗室的FEL工作于毫米波段，漢堡的FLASH工作于深紫外段（6-30nm）。當前最短工作波長（0.15nm）的FEL則位于斯坦福。未來的FEL（如同樣建造于漢堡DESY的歐洲X射線自由電子激光器）將會包括X射線，涵蓋0.1nm范圍。這樣的FEL稱為X射線自由電子激光器。