粒子加速器原理~自由電子激光簡介~Abrief

Introductionof

Free

Electron

Lasers目錄CONTENTS電磁波譜ElectromagneticSpectrum光源及X射線自由電子激光LightSourcesand

Free

Electron

Lasers自由電子激光的關鍵技術Whatmakes

an

FEL自由電子激光的應用及發展趨勢ApplicationsandTrends自由電子激光簡介2Electromagnetic

Spectrum光速c

=299,792,458

m/s普朗克常數h=

6.626x

10-273波長λ激光加速器能量E

Mev

kev

ev10—3

ev自由電子激光簡介4電磁波譜中的世界波長

m5電磁波的應用6Heinrich

Hertz

使用來自

電路的振蕩發現了無線

電波牛頓利用棱鏡分離可見

光由法國化學家PaulVillard發現，并在1903

年由ErnestRutherford

命名Frederick

Herschel使用棱鏡和溫度計發現了紅外線；物理學家Johann

Wilhelm

Ritter注意到了Wilhelm

Rontgen在使用真空管時意外發現了X射線1880/81紅外及紫外

1887/88無線電及微波它對銀色氯化物的影響，

并發現了紫外線。IsaacNewton(4Jan.4,1643-31March,

1727)1666可見光1895X射線1900γ射線7Hzm波長生物、化學、材料、醫學頻率8Therewasthus

no

placeleft

in

1965atwhich

Icouldpursuestudies

of

thephysics

andtechnologyofadvancedvacuumelectronicradiationsources由于半導體和光纖激光的崛起：John

M.J.

Madey(2015)9激光Laser自由電子激光Free

Electron

LaserX射線自由電子激光

X-ray

Free

Electron

LaserSINAP1285mShaft#580mx50m路大連光源EUV-FEL光源（~100m）上海硬X射線SHINE（~3km，在建）Shaft#4

50mX50mShaft#288mShaft#170mShaft#330m103X400m3X300m3X785m羅GE光源與X射線自由電子激光Light

Sources

and

X-ray

FEL自由電子激光及應用11

什么是光源，都有哪些類型光源是任何可以發出光的物體或裝置。在自然界和人造設備中

，光源的類型繁多，

它們可以基于發光的物理機制和應用場景被分類。

以下是一些常見的光源類型：1.

自然光源：太陽：是地球上最重要的自然光源

，提供了日光。星星：包括其他恒星和星系，

它們發出的光可能需要數百萬年才能到達地球。生物發光：某些生物體（如螢火蟲和深海魚類）能夠通過生物化學反應發光。2.人造光源：白熾燈：通過加熱絲狀物體（通常是鎢絲）到高溫使其發光。熒光燈：通過電流激發汞蒸氣產生紫外線

，紫外線隨后被熒光粉轉換為可見光。發光二極管(LED)：利用半導體材料

，通過電流直接產生可見光。激光器：通過受激發射產生高度單色、相干的光束。光纖：通過內部反射傳輸光，

常用于通信和照明。3.特殊光源：同步輻射光源：當帶電粒子（通常是電子）

以接近光速在磁場中做圓周運動時

，會發出寬頻譜的同步輻射光。自由電子激光(FEL)：利用相對論性電子束通過特殊的磁結構（稱為undulator或wiggler）產生的相干光。氣體放電燈：例如霓虹燈

，通過電流激發氣體分子發光。每種光源都有其特定的用途和特點，

例如，

LED燈以其高效率和長壽命被廣泛用于照明，

而激光器則因其高度的方向性和能量集中

，被用于從醫療手術到工業切割等多種應用。

同步輻射光源和自由電子激光則主要用于科學研究，

如材料科學、生物學和化學等領域的研究。

12我國的同步輻射光源北京高能同步輻射光源（6GeV，安裝調試）合肥低能先進光源（2.2GeV，在建）第二代基于同步輻射專用

儲存環的專用機第一代寄生于高能物理實驗

專用的高能對撞機的

兼用機合肥同步輻射光源北京同步輻射裝置第三代可加裝波蕩器磁鐵的

同步輻射專用光源第四代衍射極限環上海同步輻射光源13LightSources

Aroundthe

Word14XFELsaroundthe

worldS3FELIASF,Shenzhen

|CN

SHINE

15Phys.

Rev.,

71(1947)829幾種輻射方式的比較TimurShaftan@BNL

16FEL物理基礎spontaneous

undulatorradiation(photons/s/mm2/mrad2/0.

1%BW)undulatordeflectionparameterCompactLightProjectCDR17激光同步輻射光源X射線自由電子激光18Self

AmplifiedSpontaneous

Emission自增強外種子NanshunHuang@SIAP19一個FEL由哪些部分組成？CompactLight光束應用線站直線加速器波蕩器電子源20CompactLight布局示意圖21光陰極電子槍CompactLight南方光源·C波段光陰極及高梯度加速結構測試平臺22SwissFEL功率源大廳C波段測試平臺功率源高頻系統及直線加速器上海軟X射線隧道內加速結構23束團壓縮24Followinganelectronbunchforfreeelectronlaser(LBNL)Whatis

anX-ray

FreeElectronLaserorXFEL?（SLAC）27

超快時間分辨：飛秒

超高空間分辨：埃

超強峰值亮度：

1033X射線自由電子激光的出現，

促進了多個學科前沿的發展。自由電子激光在基礎研究中的應用Science

2020超快化學水分子自由基的形成Science2018結構生物學細菌光敏蛋白的變化Nature

2017材料科學沖擊波導致晶格錯位Nature

2010原子分子XFEL第一個實驗Science

2020非線性光學X射線受激拉曼286典型的泵浦實驗雙束泵浦實驗29利用“水窗”波段（2.3-4.4

nm）的軟X

射線進行生物樣品成像具有最好的襯度EUV及BEUV鍍膜材料損傷閾值、

反射率map和消相干技術等超快物理化學Ck

Nk

Ok100nm10nmWater

1nmwindow上海SXFEL裝置科學及工業應用IRVISTHz物質科學研究工業應用研究生命科學研究EUVSoftX-rayHardX-ray10

μm

1

μmTenderX-rayChao

FengVUVUV1?30預覽圖深圳S3

FEL裝置（在建）?超導軟X射線自由電子激光?

2023年啟動建設深圳綜合粒子研究院中山大學（深圳）31加速器波蕩器/FEL

實驗線站32基于低溫銅結構的實驗室規模XFEL

緊湊大幅提升加速梯度：C波段：40MV/m->80~140MV/m33高能所的低溫銅研究張敬如，

HG202334世界首臺可移動應用級“激光尾波加速器”7.5×2.5×2.8m3魯巍，尾波加速原理機器應用2024基于激光尾場加速（LWFA）的FEL35基于能量回收直線加速器（ERL）的EUV-FEL中國工程物理研究院太赫茲設施ERL升級日本KEK的能量回收型直線加速器美國CBETA（99.8%@2019-06-24）效率362027合肥HALF2.2

GeV2021Spring-82024NanoTerasuFEL與極限衍射環合二為一南方先進光源SAPS自由電子激光簡介202? 自由電子激光與普通激光及同步輻射光源相比具有以下優勢：

1.波長可調：自由電子激光的波長可以通過調整電子束的能量或者磁鐵結構的參數來靈活調整，覆蓋從微

波到X射線的廣泛波長范圍，而普通激光和同步輻射光源的波長相對固定。

2.

高亮度：自由電子激光能產生非常高亮度的光束，

亮度遠超過傳統的激光和同步輻射光源，使其在探測

和成像等應用中具有顯著優勢。

3.

高峰值功率：自由電子激光能夠產生極高峰值功率的脈沖光，這對于研究超快過程和非線性光學現象等

領域非常重要。

4.

寬波段覆蓋：自由電子激光能夠覆蓋從遠紅外到硬X射線的寬波段范圍，而同步輻射光源通常在特定波段