微波技术实验

自由电子激光器(FEL)是一类不同于传统激光器的新型高功率相干辐射光源。虽然传统的激光器具有极好的单色性和相干性，但它的低功率、低效率、固定频率和光束质量差的弱点，使它大大逊色于自由电子激光器。自由电子激光器不需要气体、液体或固体作为工作物质，而是将高能电子束的动能直接转换成相干辐射能。因此，也可以认为自由电子激光器的工作物质就是自由电子。1977年，由于当时已经有了超导加速器和强磁场技术条件，在美国斯坦福大学建成了世界上第一台自由电子激光器。这台激光器借助于超导直线电子加速器提供的43Mev的电子束辐射红外光。这种利用高能电子(又称相对论性自由电子)为工作物质的新型激光器得到了极高的功率输出。由于在自由电子激光器中电子能量改变是连续的，因此它的光束能在很宽的频率(或波长)范围内连续调谐。自由电子激光器较传统激光器有如下优越特性：(1)传统的激光器是由电子在原子或分子中确定的能级间跃迁产生光发射实现的，而自由电子激光器没有固有能级的局限性，它的输出波长在很大范围内连续可调。自由电子激光器可以工作在整个电磁谱区，可在普通激光器不能振荡的短波长范围(真空紫外、软X射线)内产生振荡。现在多数与应用相关的自由电子激光器都在近红外、中红外、近紫外光谱波段工作，自由电子激光器也有希望成为远红外和亚毫米波段辐射的重要可调辐射源。(2)自由电子激光器最吸引人的地方是它能产生很高的功率。平均功率达几千瓦，数兆瓦的高平均功率也可能达到，峰值功率达到千兆瓦。自由电子激光器由于没有中间能量转换环节，故其效率很高。10μm波长激光效率在20~50%以上，而效率可通过电子束能量的恢复情况而加以提高。(3)由于一般激光器中工作物质性能的衰变，工作寿命短。自由电子激光器的运转机制不受原子、分子介质的影响，因而自由电子本身不存在着寿命问题。(4)自由电子激光器光频谱较纯，避免了传统激光器中由激活介质带来的诸如介质吸收、自聚焦等效应，因此有利于改善光束的质量。自由电子激光的光束发散角可以达到衍射极限。另外，自由电子激光还具有窄的时间结构和输出频带，工作稳定和重复性好等特点。自由电子激光器是一种完全新型的相干光源，它的一些特点是其它相干光源所不可比拟的。近几十年来，它的发展非常迅速，已成为现代物理学中最引人瞩目的研究方向。自由电子激光器将成为本世纪最重要的光源。1、FEL基础以下是自由电子激光器(FEL)值得注意的优势：1)从RFS带(3cm自由电子微波器，很有学术价值)到硬X射线(0.08nm——迄今为止的记录，是2011年在日本SACLA设备中获得的)的宽的可调谐电磁波谱;2)优异的光束质量——高达90%的能量集中在基模中(对应M2因子约为1.05)。带宽为10-3或者更小;3)高峰值功率——1~10MW以上(LCLS能达到10GW);4)与高功率气体激光器不同，像全固态激光器和光纤激光器一样，FEL是全电子设备，使用寿命长。目前所面临的挑战有：1)无工业化经验——FEL装置目前仅为科研设施;2)效率低——目前的总效率为1%~2%，距离10%的目标仍有距离;3)规模和造价——目前最小的FEL设备也要一个房间那么大，近一千万美元的造价，这两方面都可以通过设计进行优化;4)存在电离辐射，需要额外后勤保障，并遵循于辐射规范管理。2、技术现状目前，更多的国家开始进军FEL领域，德国(欧洲XFEL设备)、英国、荷兰、日本等国开始筹划或建造新的装置。在FEL领域有两个完全不同的研究方向：1)红外-太赫兹(IR-THz)装置，包含光谱范围从3μm(中红外)~1500μm(0.2THz);2)短波长装置，包含光谱范围从200nm(VUV)~0.08nm(硬X射线)。IR-THzFEL装置中，最成熟的荷兰FELIX设备已进行了近20年的科研工作，其余的IR-THzFEL装置包括位于美国TJNAF、德国HZDR、法国CLIO、俄罗斯卜德科INP和其他地区的设备。短波长装置包括美国SLAC的LCLS、日本SACLA、德国DESY的FLASH、意大利的FERMI、美国杜克大学的OK-5等装置。在过去20年间，在第一台FEL装置试制成功之后，已经在此研究领域取得了重大成果和进展，包括可靠性的改进和造价的降低：表1列出了FEL技术的不同领域的进步，可分为如下三类：电子注入、电子加速、FEL相互作用。可靠性的改进主要源自RF源和电子束控制领域技术的进步。造价的降低主要是因为能量恢复、多程加速、RF源和电子控制硬件的进步。我们提出四个标志，能证明FEL技术已经成熟。首先，正如上文所述，在全球范围内以有许多FEL装置建成和正在筹划。最近试制的装置包括荷兰FLARE、柏林FHI、英国ALICE和其他许多IR-THz领域的装备。在建短波长装置有：欧洲XFEL、瑞士SwissFEL、瑞典MAX-IV、韩国PALX-FEL等。其次，SLAC实验室的全球首台硬X射线FEL直线加速器相干光源装置的成功调试，将FEL技术的可适用波长范围扩大(原先的记录是FLASH装置的波长大于6.5nm，如今低至0.15nm)，这意味着在这项技术中再无隐藏的问题。最近的SALCA的0.08nmFEL成功调试更加说明了这一点。第三，2009年美国海军研究办公室决定将海军的FEL项目从科研领域(TJNAF)向工业领域(Boeing)进军。最后，有了从工业化公司订购成套电子管道的新经验——例如，向RI研究仪器GmbH的FLARE和德国柏林学院弗里茨·哈伯(FHI)高端能量系统(AES)订购。3、未来应用3.1军事和航空FEL技术应用于工业的挑战在于缺乏工业经验和单位造价高。但是考虑到：1)外事局的采购会发生变化，2)重新建模：现在的模型假定每个光刻扫描或者步进工具都有专用的激光光源——而高价高功率FEL可以使得一个极紫外光源能够驱动多个工具，结果是商务模型也需要重新建立;并且目前而言，外事局仅从制造商(如ASML等)采购光刻工具(包括其光源)。基于FEL装置的极紫外光刻可能需要独立的极紫外光源合同。现在工业领域对FEL装置并非十分有兴趣，主要是因为以上原因。如果非FEL的极紫外光源没什么显著进步的话，这种情况在未来可能会发生改变。3.3FEL技术应用于光化学领域波长可调谐的FEL激光器对于光化学过程是在合适不过的了。光化学技术的一个最大的优点是光化学反应链的条件通常比纯粹化学反应更温和，因此所需环境温度更低(如植物光合作用在环境温度中进化);中间产物和有毒的副产物更少。光化学技术最大的问题在于其造价昂贵。二十年前，两种过程——两者都有着高量子产出(产出分子和吸收光子之比)——被定义为有希望使用FEL装置：通过移除不纯净物质制造纯净的化合物，是一种激光诱导的链式反应。工业光化学领域(包括激光化学)目前为止虽然还不是十分成熟，这种情况也有可能在不久的将来因为节能和环境保护而发生改变。3.4FEL技术应用于同位素分离同位素分离是另一个很有应用潜力的领域。从技术上来看，此领域的FEL应用技术可归为一种光化学反应。不同的同位素有着略微不同的电子结构，FEL激光器可提供独特的手段来标记特定谐振转变，因此仅改变特定同位素的化学状态。通过FEL装置分离碳、硅、硼、钆、钼的同位素已见报导。同位素工程能够用做降低硅芯片中的热消耗，制造可调谐固体激光器，低噪声红外传感器以及其他更多的应用。然而最密集的工业同位素分离是用做核燃料的铀浓缩活动的。在铀浓缩激光同位素分离(LIS)领域的研究已经有成熟的结论。最近似乎在此领域又有了新的想法，尤其是西莱克斯过程需要16微米的红外光——此波长用高功率传统激光器很难获得(洛斯阿拉莫斯的RAFEL装置获得16微米激光也许并非偶然)。可以预见的是，随着不断增长的世界能源需求，核能工业会迅速发展(尽管发生了福岛核事故)。因此铀浓缩(包括LIS)也会有很大发展，FEL装置也会取得其地位。数十年前军方就提出了定向能武器的概念。远程激光的重要应用包括舰艇对抗反舰导弹，是对抗炮弹和火箭弹的重要设施，也能在飞机起飞或降落时对抗地对空导弹，以保护飞机。此外还有一些别的重要应用，比如，陆地或太空的远程遥感，以激光形式为无人机和低轨卫星供能。目前甚至提出了太空中的激光推进技术。美国军方对FEL装置的兴趣始于1978年，当时美国国防部先进研究项目局(DARPA)提出，没有其他激光技术能够像FEL那样产生足以满足战略导弹需求的光束功率和质量。1983年，启动了战略防御计划(SDI)，高功率FEL项目取得巨大进步。特别是LANL发明了射频光电注入装置，使得光学在实质上取得了进步。当1990年SDI计划结束之后，自由电子激光器在海军研究办公室(ONR)推动下继续前进。自从FEL装置的输出波长可调之后，FEL即可适用于海军环境，甚至在操作中，可以在几个预设选项中自由切换，以适应环境需求。在ONR的支持下，美国能源部的托马斯杰弗逊国家加速器设备(TJNAF)于1998年发射出了红外自由电子激光。目前TJNAF的记录是2006年创造的的1.06微米波长功率为14千瓦，持续时间30秒。为最终设计和建造舰载定向能武器，美国海军提出下一步计划，在兆瓦级FEL装置中证明和研制输出100千瓦红外激光的样机。在2009年，在美国全国科学研究委员会(NRC)倡导下，ONR和波音公司、雷声公司签订合同，设计和研发100千瓦级的样机。2010年，波音公司得到了样机设计的确认合同，洛斯阿拉莫斯国家实验室为主要的项目承接机构。在定向能领域大多数的努力都着眼于固体激光器，一些专家认为FEL技术比高功率固体激光器在定向能领域更具潜力。3.2极紫外FEL技术应用于下一代半导体光刻在过去数十年间光刻已被广泛应用于制造更加密集的集成电路。为保证小型化，光刻所用的激光波长越来越短。光刻用ArF激光器做光源的193纳米紫外光的能力不断提升，但是或许已经达到其物理极限。目前被广泛接受的观点是，未来光刻的进展需要基于13.5纳米光的极紫外(EUV)光刻(EUVL)。然而，目前尚无可用激光源，提供足够高的平均功率来满足大体积制造。因此，过去几年间已有提出为极紫外光刻所用的FEL装置的设计，这绝非偶然。其中有两种结构值得关注，Schneidmiller等人提出将FLASH结构的能量扩大，这种方法的花费较为昂贵，能量消耗较大，但是此技术比较成熟，理论上能够很快实现。第二种方案是建立多程能量回复分立跟踪FEL装置。此方法理论上性价比很高，但是还需要开展很多相关技术研究。