自由电子激光器ppt课件.ppt
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1、自由电子激光器 专业:光学工程 学号: 姓名: 内容提纲 自由电子激光器的提出 自由电子激光器的结构和产生机制 自由电子激光器的优缺点 自由电子激光器的发展及应用 一、自由电子激光器的提出 1951年,斯坦福大学的H.Motz提出了自由电子受激辐射 的设想,并在1953年进行过实验,因受当时条件的限制 ,未能得到证实。 1960年,世界上第一台激光器诞生红宝石激光器。 激光的发明,极大地推动了物理学的发展。 随着激光器技术的研究和发展,人们普遍希望普通激光 器的功率、效率和波长调谐范围等方面能有大幅度地提 高,但对于普通的激光器来说,很难做到。 自由电子激光器一种利用自由电子的受激辐射,把相
2、对论电子束的能量转换成相干辐射的激光器件。自由电 子受激辐射的设想曾于1951年由Motz提出,并在1953年 进行过实验,因受当时条件的限制,未能得到证实。 1974年斯坦福大学的Madey等人重新提出了恒定横向周 期磁场中的场致受激辐射理论,并首次在毫米波段实现 了受激辐射;1976年Madey小组第一次实现了激光放大 ,1977年4月斯坦福大学Deacon等人才研制成第一台自 由电子激光振荡器。 二、自由电子激光器的结构 自由电子激光器主要由三部分构成:电子束、磁摆动 器、光学谐振腔。对于自由电子激光放大器来说,还需 要入射激光源。 产生机制 为了产生自由电子激光,一束电子被加速至接近光
3、 速(相对论速度)。之后,电子束通过由周期性横向磁 场(通过在光腔中设置与电子束行进方向成变化夹角的 磁体产生)构成的自由电子振荡器。产生周期性磁场的 磁体阵列又被称为“波荡器(undulator)”或“摇摆体 (wiggler)”,这是因为它们会作用于电子束使之形成正 弦形状的路径。在此路径上对电子进行加速会使之发射 光子(同步辐射)。由于电子周期运动与已发射光场同 相,得到的是相干叠加的光场,即自由电子激光。所发 射的光波长可以通过改变电子束能量或波荡器的磁场强 度进行调节。 子在波器里迹示意 自由电子激光器的总体机制同步辐射 普通情形下的同步辐射:相对论性带电粒子在电磁场的 作用下沿弯转
4、轨道行进时所发出的电磁辐射。 同步辐射的特点: 同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、 高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异 性能的脉冲光源,可以用以开展其它光源无法实现的许 多前沿科学技术研究。 本质上,自由电子激光场的增益来源于电子能量的 减少。在自由电子激光器中,电子在磁摆动器中与光场 交换能量,实现光场增益;电子通过磁场后,仅有(少 )部分能量转换为光场能量,为了提高转换效率,可以 将从磁场出来的电子进行循环利用。同时,由于光学谐 振腔的存在,光场将在谐振腔里不断增益,从而可以获 得很高的输出功率。且由于电子的辐射波长与电子速度 和磁周期直接相关,可以通过调节入射电
5、子能量和磁周 期来实现激光波长的调谐。 FEL和普通激光器的异同 普通激光器FEL 浦源 根据工作物质不同可有 光能 电能 化学能 原子 能 电子加速器加速电子 工作物质 气体、液体或固体(如半 导体激光器)等激光介质 摆动器(波荡器) 谐振腔 光学谐振腔光学谐振腔 自由电子激光器的分类 按是否存在入射激光束分: 自由电子激光放大器:将入射激光功率放大 自由电子激光振荡器:无入射激光,依靠光学谐振 腔形成电子束振荡 按工作波段分: 康普顿型:工作在短波波段,电子束速度很高,电 子密度较低,电子之间的相互作用可以忽略不计。 拉曼型:工作在长波波段,电子束速度较低,电子 密度高,电子之间的相互作用
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