什么是自由电子激光

　　自由电子激光器原理图

　　自由电子激光是利用自由电子为工作媒质产生的强相干辐射，它的产生机理不同于原子内束缚电子的受激辐射。自由电子激光的概念是John M. J. Madey于1971年在他的博士论文中提出的，并在1976年和他的同事们在斯坦福大学实现了远红外自由电子激光，观察到了10.6μm波长的光放大。自那以后，许多国家都开展了关于自由电子激光的理论与实验研究。

　　自由电子激光的基本原理是通过自由电子和光辐射的相互作用，电子将能量转送给辐射而使辐射强度增大。

　　自由电子激光具有一系列已有激光光源无法替代的优点。例如，频率连续可调、频谱范围广、峰值功率和平均功率高且可调、相干性好、偏振强，具有ps量级脉冲的时间结构，且时间结构可控，等等。中国科学院高能所已于1993年制成我国第一台自由电子激光装置。

　　自由电子激光的物理原理是利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。利用这一基本思想而设计的激光器称为自由电子激光器(简称FEL)。如下图所示，一组扭摆磁铁可以沿z轴方向产生周期性变化的磁场.磁场的方向沿y轴。由加速器提供的高速电子束经偏转磁铁D导入摆动磁场。由于磁场的作用.电子的轨迹将发生偏转而沿着正弦曲线运动，其运动周期与摆动磁场的相同。这些电子在xOz面内摇摆前进，沿x方向有一加速度，因而将在前进的方向上辐射出电磁波。辐射的方向在以电子运动方向为中心的一个角度范围内。

　　由此可见，自由电子激光器的工作原理完全基于经典物理学，不同于传统激光器(如红宝石激光器)依赖于原子的受激吸收与受激辐射这一量子现象。在经典物理学中，能量是连续的，而不是离散(量子化)的。从而，自由电子激光器可以实现辐射频率的大范围连续调节。

自由电子和光学近场相互作用研究取得进展 进展

近年来，超快透射电子显微镜 （UTEM）在表征物质科学领域的超快动力学过程 上取得了一系列成果。由于综合了超高的时间分辨率（飞秒量级）和空间分辨率（埃量级），UTEM在研究微观超快过程 有着显著的优势，受到了诸多国内外学者的关注。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心A06组的李建奇，杨槐馨研究员团队，基于JEOL-2100F场发射透射电子显微镜，成功搭建了国内第一台基于肖特基场发射电子枪 的UTEM（Ultramicroscopy 209，112887（2019））。

图1（a）激光、电子和纳米线相互作用的俯视图，θ=24°；（b-g）不同偏振下的PINEM图像。

UTEM中，电子枪发射的自由电子可以和样品周围的光学近场相互作用。该过程涉及到电子和近场两个客体。一方面可以延续透射电镜中的理念，将自由电子视为探针来探测近场 ，通过谱仪收集这些电子可以得到近场的时间分布、空间分布、相位等信息；另一方面近场也可以作为自由电子的调制器 ，实现自由电子能量和波函数相位的调控。

作为探针，自由电子探测近场可以达到远高于光学手段的空间分辨率。A06组学生郑丁国、黄思远等，在李建奇研究员的指导下，以UTEM为平台，基于光诱导近场电子显微学（PINEM）的方法对银纳米线周围的表面等离极化激元（SPP）近场进行了观测。通过能量过滤像和电子能量损失谱，观察到了多模式的表面等离激元共振和二次谐波的产生，并展示了激光偏振对纳米线两侧等离激元波长和对称性的调控（图1）。该工作揭示了银纳米线周围量子态的布居 ，研究成以“Nanoscale Visualization of a Photoinduced Plasmonic Near-Field in a Single Nanowire by Free Electrons”为题发表在杂志上。

图2（a）金属激光加速器实验示意图；（b）电子初始能量分布；（c）金属激光加速器的扫描电镜图；（d）金属激光加速器表面电场分布，上下两图时间相差半个光学周期；（e）入射时间相差半个光学周期的两个电子在一个光学周期内感受到的电场。

作为被调控的对象，自由电子可以通过光学近场获得超过keV的能量。受自由电子和银纳米线周围光学近场的强相互作用的启发，光栅结构（类似于周期性排列的一排纳米线）被设计出用以实现自由电子的加速，实验示意图如图2所示，通过设计合理的光栅周期，保证电子的群速度等于近场的相速度（即相位匹配），从而实现了高效的加速。

大量文献表明蝶形结构在间隙附近存在极强的局域表面等离激元场 ，于是进一步设计了以蝶形结构为基本单元的金属激光加速器，如图3所示。与一般电介质激光加速器的电子能谱不同的是，蝶形结构的金属激光加速器由于二次谐波（SHG）效应，电子能谱出现明显的不对称，更多的电子处于加速区间。该结构中自由电子最高加速能量为2.4 keV，加速梯度0.335 GeV/m，是迄今为止具有最高平均加速梯度的单光栅结构激光加速器。这项工作为开拓基于金属材料的芯片加速器提供了新思路 ，研究成果以“Efficiently accelerated free electrons by metallic laser accelerator”为题发表在杂志上。

图3（a）蝶形结构金属激光加速器的扫描电镜图；（b）蝶形结构间隙附近场增强的有限元仿真结果；（c）蝶形结构二次谐波产生引起电子能谱不对称，大部分电子处于加速区间；（d）电子紧贴光栅表面掠过时的电子能谱；（e）有无二次谐波产生时电子能谱的经典模拟及量子模拟结果；（f）低激发强度下，有无二次谐波产生的电子能谱及能态跃迁示意图

上述工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院战略重点研究计划(B)、中国科学院科学仪器开发项目、怀柔综合极端条件实验装置和北京市重大科技专项的支持。

编辑：九一

相关问答

[最佳回答]可以自由移动而不受原子核束缚的电子

[最佳回答]我们知道物质由分子组成,分子由原子组成,而原子由原子核和核外电子组成,电子带负电,原子核带正电,两种电量正好相等,故原子不显电性.一般地称电子带...

自由电子是指在固体中自由运动的电子,它们不受束缚于原子或分子的特定位置。自由电子具有高度的运动能量,可以自由地在固体中穿行,导致固体表现出导电性质。自...

电子是构成原子的基本粒子之一,质量极小,带负电,在原子中围绕原子核旋转,一般围绕原子核运转,在一般情况下是指带负电荷的负电子,其反粒子是带正电荷的正电...

是的,自由电子一定带负电。自由电子就是指不被约束在某一个原子内部的电子。电子带负电,一个电子带电量e=-1.6x10^-19c.是的,自由电子一定带负电。自由电...

No,所谓晶体,就存在一定长程有序,那么显然存在配位结构,因此不可能单独只存在阳离子No,所谓晶体,就存在一定长程有序,那么显然存在配位结构,因此不可能单独只...

导体中有自由电子而不带电的原因是导体中还有等量的正电荷。物质是由分子组成的,分子又是由原子组成的,原子由原子核和带负电的电子组成,一个电子和...导体...

是的,自由电荷和自由电子是不同的概念。自由电荷是指在电场中能够自由移动的电荷,可以是正电荷或负电荷。而自由电子是指在固体中自由移动的电子,它们可以在导...

自由电子和自由电荷区别是二者概念不同。自由电子概念是一种带有单位负电荷的亚原子粒子之一,通常标记为e-。电子属于轻子类,以重力、电磁力和弱核力与其它...

[最佳回答]金属中的金属原子的外层电子有的能量较大,超出原子核对它们的束缚,就脱离原子核在金属中自由移动,成为自由电子.金属中的金属原子的外层电子有的能...