美国政府顾问小组近日提议，美国需要建造一种能够将电子在材料反应和化学反应中的活动轨迹成像的新型X射线激光器。

　　能源部下属的基础能源科学咨询委员会（BESAC）已经驳回了提交的关于未来X射线光源的4份提案，取而代之的是一个更具雄心的计划。BESAC表示，如果各方面力量能够齐心协力，该方案是完全可以实现的。

　　麻省理工学院加速器物理学家、曾在BESAC研究该课题的William Barletta认为：委员会所期望的机器将会是一种“自由电子激光器”，可以利用磁力来扭动电子光束，从而发射出连续的X射线。至于这种新型激光器的规格，委员会建议它应能提供快速的X射线脉冲重复率以及较广的X射线光子能量范围。

　　这一想法与美国劳伦斯伯克利国家实验室的一项提案不谋而合。劳伦斯伯克利国家实验室提议，“下一代光源”（NGLS）这种自由电子激光器使用一种受超导磁体加速的电子光束。该提案已通过能源部审核，但还须经过国会的详细审查。

　　但是NGLS所能提供的能量范围还未达到顾问小组的期望，而与斯坦福线性加速器中心的相应提案范围相吻合。该中心提议对线性相干光源（LCLS）系统进行升级这是一种已投入运行的自由电子激光器。

　　Barletta说，顾问小组认为，无论是NGLS项目还是待升级的LCLS项目都各有优点和缺点，两个实验室需要通力协作，寻求共识，取人之长，补己之短。

　　该顾问小组也听取了支持“终极储存环”的声音。终极储存环已经在一些美国的国家实验室中使用，其功能与X射线同步加速器相似，能够发射连续的X射线，并且可以循环利用光束，以达到节能效果。

　　Barletta认为研究终极储存环提案最关键的一点是：能源部应当仔细评估并认真审查升级已有同步加速器的方案，以确认将经费花在建造新型终极储存环上是否更值得。另外，瑞典、巴西、日本等国家正在建造比美国更先进的同步加速器。

　　自由电子激光器的工作原理

　　自由电子激光器是加速器和激光技术的组合。其主要技术组成是电子加速器、磁摆动器(大多数自由电子激光器的研究都采用静磁摆动器)、光子光学系统和各种监测、控制系统。

　　自由电子激光器采用的是射频直线加速器、电子储存环、静电加速器、感应直线加速器等脉冲装置。从加速器引出的高能电子束相当于激光工作物质， 因而电子束质量的好坏直接影响着整个激光器性能。相对论电子束从激光共振腔的一端注入经过摆动器时， 受到空间周期性变化的横向静磁场作用。磁场由一组“摆动器”或“波荡器”的磁铁产生。磁铁以交替极性方式布置， 磁场为螺旋式或平面式。在该磁场作用下， 电子束在磁摆动器中一边前进， 一边有横向摆动。例如， 周期性磁场在水平面内， 电子则周期性地上下摆动。电子的横向及运动方向的改变， 表明电子有加速度。根据电磁辐射理论， 电子有加速就必然会辐射电磁波。这种带电粒子沿弯曲轨道运动而辐射电磁波， 被称为同步辐射。同步辐射有一个比较宽的频率辐射范围， 但缺乏单色性和相干性。这种自发辐射一般不很强， 峰值电流100A， 脉宽几皮秒的50M ev能量电子束在典型摆动器中将产生1W 量级峰值自发辐射功率。

　　在磁场的作用下， 电子受到一个作用力而偏离直线轨道， 并产生周期性聚合和发散作用。这相当于一个电偶极子， 在满足共振关系的情况下电子的横向振荡与散射光场相互耦合， 产生了作用在电子上的纵向周期力——有质动力。在有质动力的作用下， 电子束的纵向密度分布受到调制。于是， 电子束被捕获和轴向群聚。这种群聚后的电子束与腔内光场(辐射场)进一步相互作用， 会产生受激散射光， 使光场能量增加， 得到具有相干性的激光。这是通过自发辐射光子和电子相互作用的反馈机制， 把自发辐射转换成窄带相干辐射。而且此辐射电磁波在电子运动的方向上强度最大。因此， 摆动器促成了自由电子激光器中电子和光子间的相互作用。在电子通过摆动器后， 利用弯曲磁铁把电子和光分离。凡是能使自由电子产生自发辐射的各种机理几乎都可以产生受激辐射， 如受激康普顿辐射、受激韧致辐射、受激切伦柯夫辐射、受激喇曼散射、受激电磁冲击辐射等等。因此， 相对应有康普顿激光器、磁韧致激光器、切伦柯夫激光器、喇曼激光器等等。

　　以磁韧致激光器为例， 磁韧致激光器的工作原理是基于康普顿散射效应和磁韧致辐射效应。被加速的电子通过周期性磁场时， 因受磁场作用产生磁韧致辐射效应而激励电磁波。按洛伦兹变换， 周期横向磁场变成既有磁场又有电场的电磁波。该磁场对电子的作用就象迎面而来的入射光波一样可以产生康普顿散射， 从而诱发受激辐射。在这个过程中， 电子释放的光能大部分被磁场中别处的电子所吸引， 但只有波长λ满足λ= λq /2γ2的光才被放大。受激康普顿散射才是激光。 要产生受激康普顿散射， 必须使高能电子与电磁波( 光子)发生作用。根据理论计算， 磁韧致辐射产生的电磁波其强度可以相当大， 其频率可以很高。放大后的光辐射被限制在光学谐振腔内， 被两块彼此相对的反射镜来回反射， 其往返与脉冲电子束同步， 且通过波荡器调节镜子间隔而产生相干振荡.这个电磁波(光子)作为入射激励波再与新的电子束混合放大， 使光辐射得到进一步相干放大， 而输出高功率的激光脉冲。因此， 当一束高能电子注通过周期横向静磁场时， 可以获得强大的激光输出。在振荡场合下， 光学谐振腔是一个重要的部件。光学谐振腔要求有宽通带特性， 以适应在较宽的波长范围内工作； 光损耗要尽可能减小， 以便于起振。在低增益系统中， 光学谐振作用是提供反馈和为合适性能所需的光学模式提供选择。高增益自由电子激光器则往往不需用光学谐振腔就以产生自放大的自发辐射。可见， 自由电子激光器的发展， 可以说是同步辐射和受激辐射的巧妙结合。它消除了同步辐射所带来的非单色性和非相干性的缺陷。

　　控制系统是整个自由电子激光器各部分协调运转的关键所在， 对能否出光起着决定性的作用。它主要由控制台和触发系统两大部分组成。

　　自由电子激光器的波长决定于电子束的速度、电子能量、磁摆动的周期。因此， 通过调节加速电子的能量或者外设电磁场的强度， 很容易改变辐射光的波长， 以实现大范围的调谐。

　　按照电子束的束流大小， 自由电子激光器( FEL ) 可分为拉曼型( R am an 型) 和康普顿型( Com ptou型)。工作在可见光或红外波段的康普顿型自由电子激光器(高电子能量、低电子密度) 把激光器波段推向了短波甚至到X 射线； 工作在毫米和亚毫米波段的拉曼型自由电子激光器(低电子能量， 高电子密度) 填补了可见光， 红外光到微波之间的波段。

　　现有的大多数自由电子激光器产生的辐射都由短脉冲组成， 自由电子激光器有可能产生脉宽仅几个飞秒的超短脉冲， 单脉冲能量达到毫焦耳量级。

全球争相发展X射线自由电子激光装置

　　近日，韩国浦项加速器研究所的“梦想光工厂”——第四代放射光加速器（PAL-XFEL）项目正式宣告开工建设。目前，浦项研究所正在运转的第三代放射光加速器全长170米，激光能源为3GeV（1GeV = 10亿eV），光的亮度为太阳的一亿倍左右。而第四代放射光加速器长达710米，加上插入装置（250米）和其他装备的话，全长将达1100米。据悉，现在只有美国（LCLS）和日本（SCSS）拥有这一性能的放射光加速器。如果该第四代放射光加速器能够按照计划在2014年年末竣工，韩国将成为第三个拥有这一设备的国家，届时将制造出比太阳还要亮100万万亿倍的光线。

　　目前对X射线自由电子激光装置的科学需求十分强烈，对于建设高亮度多用户的新装置存在普遍的呼声和期待。除已经建成的美国、欧洲和日本的大型自由电子激光装置以外，意大利、美国、韩国和瑞士等国家也在建设软X射线到硬X射线的新用户装置。

　　世界范围内的高增益X射线自由电子激光装置进入高速发展阶段，第四代先进光源的概念和全球布局已经初步形成。

　　世界上第一台软X射线自由电子激光（FLASH）于2006年诞生于德国同步加速器实验室（DESY），第一台硬X射线自由电子激光（LCLS）也于2009年在美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）调试成功，迄今为止科学家们已经利用这两台最新的超高亮度相干辐射光源做出了一系列开创性的科学研究成果。此外，还有数台X射线FEL正在亚洲、欧洲和美国等地建设和预研中。日本的硬X射线自由电子激光装置SACLA于2011年6月受激出光，创造了波长短于1nm的新纪录。意大利的软X射线自由电子激光装置FERMI也于2010年12月出光，并已开始了用户实验。中国软X射线自由电子激光试验装置的项目建议书已于2011年2月得到国家发改委的正式批复，预计将在2015年提供高品质的软X射线自由电子激光，与同一园区内的上海光源优势互补，构成具有世界先进水平的光子科学研究平台。杨振宁8次呼吁中国尽快开展X射线自由电子激光研究

　　2009年，我国世界一流的中能“第三代同步辐射光源”——上海光源（SSRF）的竣工验收，我国也已经积极进行更先进光源的前瞻部署。

　　出于对中国发展XFEL的极大关注，杨振宁先生早前参加“X射线自由电子激光（XFEL）的最新进展”报告时指出，XFEL将在21世纪前期取得重大突破性发展，此项技术目前还在发展的初始阶段，正是中国参与的上好机会。他相信中国人的聪明才智，相信党和政府的杰出组织能力，只要给予足够重视，定能在该领域进入世界先进行列。杨振宁先生从1997年5月开始还先后8次给我国有关部门和有关领导写信，呼吁中国尽快开展XFEL的预研究。为此，国家科学技术中长期发展计划相关研究报告已明确建议“立即制订并分阶段实施从深紫外起步以X射线为最终目标的自由电子激光系统总体发展计划”。

　　据中国科学院副院长江绵恒在接受新华社记者采访时介绍，中国科学院正在进行“第四代光源”---自由电子激光光源的预研，并已经做出了“很好的结果”。早在1994年，高能所曾研制成功中红外波段的北京自由电子激光装置，在亚洲第一个实现了饱和出光。自2000年起，在中国科学院、科技部、国家自然科学基金委的先后支持下，上海应用物理所、高能所和中国科技大学以及北京大学已联合开展深紫外自由电子激光的前期和预制研究工作。但这些部署对于发展X射线自由电子激光过于薄弱，我国要跨越发展到X射线自由电子激光，仍存在很多的技术空白和技术难点。

　　江绵恒还表示，自由电子激光光源已在国际上加速发展起来，美国SLAC的X射线自由电子激光已经出光，德国、日本、韩国等也均已起步，并已被提到战略高度予以部署和实施，我国也应该加快发展自由电子激光光源。希望在预研后，再向国家申请建设硬X射线的用户装置，就可以将我国与先进国家在光子科学领域的发展差距缩短到10—15年。

　　此前，中国科学院已经向国家建议，在上海光源的北面，建设一台软X射线自由电子激光试验装置，开展短波长自由电子激光装置的预先研究。据悉，今年总长为300米的第四代光源装置“上海X射线自由电子激光”有望在上海张江科技园区内动工，标志着我国大型先进光源的发展进入全新的阶段。

　　欧洲X射线自由电子激光装置

　　去年7月，欧洲X射线自由电子激光装置（XFEL）建设工程取得了阶段性进展，全长近5.8公里的网络隧道建设工作顺利完成。欧洲XFEL公司为此举行了庆祝仪式，来自项目国际合作伙伴、德国联邦政府和学术界代表共400多人参加了此次活动。

　　XFEL项目隧道网络建设工作于2010年启动，按计划共分为11个部分，其中加速器地下隧道部分长约2.1公里，外部隧道长约3.4公里。在此之后，项目隧道施工将进入基础设备和安全装置安装阶段，具体包括超导电子直线加速器、光子隧道、波荡线和实验大厅等。2015年底，欧洲XFEL将正式投入运行。

　　欧洲X射线自由电子激光装置（XFEL）建成运行后可产生近似激光但波长不到十分之一纳米的X射线闪光，其亮度比现有第三代光源高9个数量级，将有力促进在原子尺度开展有机/无机材料内部分析、化学反应过程拍摄、纳米三维图像制作、星球内部过程研究等领域研究工作。 深入内部揭秘美国JLab的自由电子激光器

　　美国托马斯杰斐逊国家加速器装置TJNAF（Thomas Jefferson National Accelerator Facility），俗称杰斐逊实验室（Jefferson Lab）或JLab。JLab位于美国弗吉尼亚州纽波特纽斯（Newport News），是美国能源部科学局下属的国家实验室。

JLab自由电子激光器位置示意图

　　JLab的自由电子激光器是一个亚皮秒光源，覆盖范围从250纳米的紫外至14微米中红外可调谐，脉冲能量达300 mJ，重复频率达75 MHz。并非所有的参数都可同时满足，但10 kW的平均功率已在红外被证明。

JLab自由电子激光实验楼 上层是实验室，自由电子激光器在下层

　　JLab的自由电子激光器基于一种称为能量回收型的直线加速器。电子从左下方的源释放，并且在超导直线加速器中加速。从这个直线加速器出现后，电子通过一个在其中心有扭摆磁铁的激光腔。这个扭摆磁铁引起电子振荡，发出光，该光在腔内被捕获，用来诱导电子放射出更多的光。退出光学腔后，电子然后沿着顶部回路回到直线加速器。在这里，它们将自己的大部分能量给到新一批的电子，使该过程高度有效。该激光器始于1 kW的自由电子激光器演示计划，1999年8月完成调试，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，作为用户装置运行，为大约30个组提供用户束流约3000小时。#p#分页标题#e#

　　在准备将升级到10 kW的功率水平前，该激光器达到了两倍于设计水平的2.1 kW的功率输出。2004年7月21日，在6微米的波长取得了10 kW的连续光。2006年10月30日在1.6微米取得14.2 kW的连续光。因为在红外线波段得到如此高的输出功率，波长越短就越困难。因此这是一个很大的成功，取决于极具创新的设计，克服了在达到如此高的功率的过程中遇到的种种困难。由于最初证明原理的光源能力超过既定的传统光源的能力，所以最初的实验产生了100篇论文，登载在重要期刊上。

　　计划将自由电子激光在紫外线扩展为250纳米。电子的短脉冲还产生几百瓦的宽带太赫兹光，这种光在一个特殊的用户实验室提供。

　　JLab自由电子激光器覆盖了从紫外线250纳米至中红外14微米范围，脉冲能量高达300微焦耳，重复率高达75兆赫。并非所有的参数都可以同时满足，但在平均超过10千瓦的功率已在红外得到证明。

自由电子激光器的改进能够使其在更广的波长范围内运行，即从紫外0.25微米到15 微米，平均功率高到10000瓦，可调性更快。

　　增加两个超导直线加速器部件，改进后的装置能量从 40 MeV 提高到160 MeV，束流的平均电流从 5 mA提高到 10 mA，通过采用光学速调管，使引出效率提高2倍。紫外线区，将采用单独的光学腔体和扭摆磁铁。

2010年8月19日，紫外自由电子激光器获得第一个700纳米的激光波长，并迅速达到了100 W的功率水平。随后，在2010年8月31日，激光波长达到400纳米，当天晚些时候降到363纳米。

　　2010年12月9日，紫外自由电子激光器首次成功产生10 eV的光子。运行在基波370纳米的紫外演示自由电子激光器上的孔耦合输出镜将真空紫外谐波光传送到校准的真空紫外二极管。对每10eV微脉冲中5纳米焦耳完全相干光（39光子）进行测量，约占基波能源的0.1％，符合预期。至12月底，波长达到124纳米。

　　这项研究奇迹将为许多以前无法进行的研究打开一扇大门。例如，可以用来测定物质的年龄，这些物质存在的时间可能超出了碳元素年代测定法可以测定的年代。放射性碳测定法使科学家能估算很多年龄超过6.2万岁的物质的年代。放射性氪测定法使科学家能测定10万到100万年前的物质，而从自由电子激光器发出的这种10 eV的光可以产生亚稳定的氪原子。另外，这种方法有助于研究海洋环流模式，并且绘制出地下水的运动情况，同时测算极地冰的年代。

2011年2月28日，自由电子激光器的紫外光从楼上被引到实验室的光传输系统，首次进入用户实验室4。从2011年3月1日起，把真空紫外光送到用户实验室1用于表征和以备未来之用。

　　一项极富挑战的方案已经到位，即将自由电子激光的脉冲缩短到阿秒范围，以满足波长可完全调的器件中的时间前沿和高磁场。升级后的自由电子激光也将包括kW规模的紫外线能力。