【導讀】除了特別加以標注和。致謝的地方外，本文不包含其他人或其它機構已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。出重要貢獻的個人與集體均已在文中作了明確標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本。國家有關部門或機構送交此論文的復印件和電子版，允許此文被查閱和借閱。影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本文。得畢業(yè)證書等），與畢業(yè)論文指導老師無關。自由電子激光是自由電子為工作物質的一種完全新型的。點與其它相干光源所不可比擬的。本文主要介紹的是自由電子激光的基本概念、歷史發(fā)展，自由電子在電磁場中的運動特性，有加速高速運動的情形下的輻射功率角分布。下的電子束與外加電磁波之間的能量交換過程中，損失的能量多于吸收來實現受激光放大。最后，討論了自由電子激光在生物科學、醫(yī)學和軍事方面的實際應用。

　　

【正文】 (6)所示。 這時電子與激光場的作用，前波長 (0, )? 的電子損失能量，后半波長 ( ,0)?? 的電子或的能量平均結果沒有能量交換，激光沒有放大，但是考慮 光 場的磁場分量對電子的作用，在 z軸上增加了振蕩的作用力，使電子縱向速度受到調 制 ，形成電子在空間上的群聚，于是可能使電子束有平均能量損失，激光得到放大。 設光場的電場分量 sE 沿 x 軸方向，磁場分量 sB 沿 y 軸方向，電子擺動速度 x? 與 sB 形成的洛倫茲力是沿 z 軸方向，稱作用在電子上的有質動力因為 x? 和 sB 都是周期振蕩的，有質動力是它 們 振 蕩的合成，從而也是周期振蕩的，因此有質動力也稱有質動力波。 圖 6 高能自由電子激光及其應用 18 根據 x? 與 sB 振蕩合成，很容易求得有質動力波的相位 ()w s s sk k z t? ? ?? ? ? ? () 式中 ,s s sk??分別為激光場的角頻率、波數和初相位， s? 是隨時間緩慢變化的。由 ()式可得相速度和波長 ()s w skk????? () 2 ( )w s skk?? ? ?? ? ? () 電子與有質動力波作用能有效進行能量交換的條件是電子縱向運動速度與有質動力波同步，即 z ???? ，或接近同步 。 一般地， z ???? ，的電子可能損失能量， z ???? ，的電子可能獲得能量。 z ???? ，時稱電子與有質動力波同步， z ???? 的電子稱共振電子。由同步條件z ???? ，很容易得到與 ()相同的共振關系。 設光場的電場分量 0 c os( )s s w s s xE E k t e??? ? ?，由（ ）式 2 s in ( )x w wca k z??? ，代入 式得 02 s i n ( ) c o s ( )w s w s s seead d d z E k z k z td t d z d t m c?? ???? ? ? ? ? 上式對波蕩器一個波長 w? 作平 均，并應用 dzcdt? ，則可得電子能量 ? 及電子相位 ? 隨z 軸的變化方程 sins w sk a addz dx? ??? () 22 (1 )2 wssw kdd kadz dz?? ?? ? ? ? () 式中 20 2s s e sa eE m c k? 。 ()和 ()式是描述自由電子激 光基本 物理過程的方程式，有關電 子在有質動力作用下的運動狀態(tài)及能量交換過程都可以用這兩個方程進行定量分析。 首先分析電子的群聚過程 。 和激光一起進入波蕩器的電子，設它們的初始相位是均勻分布，如圖 (6)，因為有質動力是周期性的，所以只要分析在 ? ?,??? 區(qū) 間內的初始電子，而且假定初始電子的能量 ? 是嚴格滿足共振條件 。 由 ()式，初相位 ? 在 ? ?0,? 內 的電子，因為sin 0, 0ddz?? ??，電子損失能量，因而沿 z 方向運動速度減?。怀跸辔?? 在 ? ?,0?? 內的電子，sin 0, 0ddz?? ??電子獲得能量，相應地電子沿 z 方向運動速度增大 。 這樣在前面的電子向新疆大學 2020 屆本科生畢業(yè)論文 19 前運動速度變慢了，而后面的電子向前運動速度加快了，結果使原先均勻分布的電子逐漸地向 0?? 處聚集 。 這就是如圖 (7a)出現的電子 “群聚 ”。如果電子運動與有質動力波嚴格 “同步 ”(共振 )，即 z ???? ，激光還是沒有增益 。 因為群聚是在 0?? 處前后對稱的，前半部分電子損失能量，而后半部分電子獲得能量，總的效果是相互抵消 。 為了使激光能量能夠放大，電子束運動速度要稍超過有質動力波的相速度 ?? ，即 z ???? ，這時電子處于失諧狀態(tài)，如圖(7b)所示。 這樣電子就圍繞另一個相位點 0r?? 處群聚，由于群聚中心前后電子數目不對稱，損失能量的電于數目略多于獲得能量的電子數目，從而使激光能量得到放大 。 因此，群聚是使自由電子激光成功的關鍵。 通過波蕩器后激光功率的增加值與初始功率的比值稱為激光增益，它是產生自由電子激光的重要指標。應用基本方程 ()和 ()可以計算和分析電子在波蕩器中激光增益過程。對于一束電子，一般是電子的初始相位在 ? ?,??? 內均勻分布， 每個電子的初始能量不一定都是共振能量 r? ，如加速器出來的電子束的能散度為 ()r? ? ?? 。電子能量 r??? 的稱共振電子， r??? ，的稱失諧電子，為簡單起見，設入射激光的波長 (或頻率 )滿足共振條件，則定義失諧參數 2 ( )2 [ ]rrN ???? ??? () 在小信號激光近似下，可以由 ()和 ()方程計算得到增益公 式 2 3 3 2 2s i n ( 2 )( ) , ( ) [ ]2w w s dG Ia L f f d ?? ? ? ???? () 式中 ()f? 稱為增益函數， I 是電子束 對應 的電流， wL 是波蕩器的 總 長度， s? 是激光波長。小信號自由電子激光的增益函數曲線如 (8)所示，圖中 ()f? 為相對值 。 圖 7 FEL 中電子束群聚 高能自由電子激光及其應用 20 圖 (8)增益函數曲線的意義非常明確， 增益 G 是與失諧參數 ? 有關。顯然，嚴格共振的電子束 ( 0)?? ，增益為 0，這就是前面討論中指出的 z ???? 。情況見圖 (7a)。由圖中當 02????的電子，即前面討論中指出的稍微超前的電子， z ???? ，的情況，見圖 (7b)。 ( ) 0f ?? ，這時 0G? ，激光才得有效增益，而且當 ?? 附近，增益最大。當 20??? ? ? 時， ( ) 0f ?? ，增益是負的，稱電子受激吸收，即電子從激光場中獲得能量，這種情況正是激光加速器所希望的。 由 ()式還可以得自由電子激光的基本性質：小信號增益是和電子束的電流成正比，增加電流、適當提高磁場 (即增大 wa )，可有效提高增益；增益與激光波長的 32s? 成正比，因此短波長的激光增益會迅速下降；當然增加波蕩其長度 wL 也能提高增益。 自由電子激光器的放大都是從小信號曾一開始增長，然后經過指數增益區(qū)達到飽和值。因為小信號放大之后，電子與激光之間有較強的作用，這時電子能量 ? 發(fā)生改變。因此在指數增益區(qū)，只要考慮 ? 的變化并 參與平均，同樣可以利用 ()和 ()基本方程進行描述并計算增益指數。自由電子激光功率在指數增益區(qū)達到一定程度平均能量不再增加通常稱為功率飽和現象。這一點也可以從物理上簡單的考慮得到解釋。如圖（ 7b），當電子圍繞相位 r? 群聚時，電子束損失能量，激光功率增大。電子束能量損失，意味著電子平均速度下降，于是群聚的相位 r? 就逐漸減小，最后達到軸上某一距離時， 0r?? ，即回到圖 (7a)情形，這時平均能量交換為 0，因而激光功率達到飽和。 自由電子激光的應用 自由電子激光特別適宜于研究光與原子，分子和凝固態(tài)物質的相互作用 ， 這類研究涉及到固體表面物理、半導體物理、超導體、凝聚態(tài)物理、化學、光譜學、非線性光學、生物學、醫(yī)學、材料、能源、通信、國防和技術科學等多個方面。原子核工程是自由電子激光器應用圖 8 新疆大學 2020 屆本科生畢業(yè)論文 21 最有前途的領域之一，自由電子激光器在此應用上的最大優(yōu)點是高功率、寬可調光譜范圍，以及準連續(xù)運轉特點。因此，可應用于物質提純、受控核聚變、鈾、釓、硼、鍶和鈦等元素的同位素 分離和等離子體加熱等。 醫(yī)學方面的應用 FEL 器醫(yī)學方面的前途主要為兩個方面激光外科和光輻射醫(yī)學。由于能夠產生非常小的光斑，因而可以比較容易地在難度大的地方進行外科手術在切除病毒組織時對周圍細胞傷害很小。 FEI 器取得成功的第二個領域是光輻射醫(yī)學。在類應用中將光敏染料注射到病人身上，染料獨特的方式進入癌細胞然后用在浸透染料的細胞上引起反應的激光束照射病區(qū)例如染料會使細胞射放游離氧立即把病細胞殺死 [3]。 在馬薩諸塞州總醫(yī)院韋爾曼（ Wellman）中心光醫(yī)學有關的研究人員，美國哈佛大學醫(yī)學院和美國能源部 托馬斯杰弗遜國家加速器實驗室（杰弗遜實驗室）第一次表明，激光可以不損害的融化覆在人體皮膚上脂質豐富的組織或脂肪，新的研究為基礎的激光療法，可以治療多種健康問題比如嚴重的痤瘡，動脈粥樣硬化斑塊和有害脂肪。在第一部分的研究中，研究人員利用人類脂肪丟棄手術獲得正常組織。基于對脂肪的吸收光譜，在杰弗遜實驗室利用自由電子激光裝置組織暴露于各種波長的紅外激光（ 8002600 納米）。研究人員測量如何選定波長 加熱 融化脂肪 ，把 結果 與加熱 純凈水的 類似實驗進行了 比較 。在大多數的紅外波段進行 的 探測中，研究人員發(fā)現，脂肪 比水 更有效 地 吸收 915， 1210 和 1720 納米三種波長 來融化[??]。 工業(yè)方面的應用 自由電子激光器的高效率、短脈沖及波長可調的優(yōu)點 ， 在工業(yè)上也有廣闊的應用前景。例如在半導體工藝中的薄膜沉積、平板印刷術、蝕刻、摻雜質等，自由電子激光器特別適合大批量材料處理，因為它的波長可調諧，器件又可放大到能輸出高平均功率。用于材料處理時 ,要求功率為 KW5~1 ,波長為 m?20~8 的自由電子激光器。自由電子激光器還可進行各種化學分析與測量，可以生產高純硅 晶體、滿足計算機生產的需要。集成電路裝配，包括量子處理和光刻可更多地借助短波自由電子激光器。另外，自由電子激光器還用在激光加工、光 CVD 等方面的材料，制作 X 射線激光器、激光加速器等。 生物科學方面的應用 自由電子激光器還用在原子、分子的基礎研究上，光化學可依賴工作在紫外到遠紫線外區(qū)的自由電子激光器。自由電子激光的可調諧性和超短脈沖特性，使得探索化學反應過程、生化過程的動態(tài)過程成為可能。這對研究物質的結構和性能對生成新物質的研究，將會產生革命性的變革和新的進展 [14]。自由電子激光器應用最豐富的領域 在 X 射線激光的幫助下，生物結構可以解碼原子決議。 X 射線激光閃爍的如此激烈，它們可以用來創(chuàng)建圖像的單分子復合物。在超短曝光時間，研究人員也可以追查這些分子復合物。這種新的見解，例如，到感染的進展情況在分子水平上，還形成的重要基礎，開發(fā)新藥物。而目前當務之急是研制緊湊、實用的小型自由電子激光器，其主要目的是把價格降到大醫(yī)院能買得起的水平。 高能自由電子激光及其應用 22 軍事、通信應用 在軍事上 ,自由電子激光器可以成為強激光武器，是反洲際導彈的激光武器的主要潛在手段之一。自由電子激光器功率雖然強大，但由于其體積龐大，因此目前只適宜安裝 在地面上 ,供陸基激光器使用。在毫米波段，自由電子激光器是唯一有效的強相干信號源，在毫米波激光雷達、反隱形軍事目標和激光致盲等研究中具有不可替代的重要應用價值。利用高平均功率最佳波長自由電子激光，可以從地面向人造衛(wèi)星或者太空飛船傳輸能量，它可以把 100 千瓦級的能量從地球表面送到空間衛(wèi)星上，作為衛(wèi)星能源，從而大大延長了衛(wèi)星的壽命。采用這項技術可以解決通訊、導航、資源、氣象等各類衛(wèi)星的能源供給，也可以用于未來的航天事業(yè)更可觀的是自由電子激光器可以為空間站輸送能量，以降低空間站對太陽能電池的依賴性。用于向衛(wèi)星傳輸功 率時，要求功率為 MWKW 1~100 ,波長為 ? 的自由電子激光器。 5 總結 本論文第一章主要介紹自由電子激光的基本概念及它的分類，自由電子概念在上個世紀 30 年代的卡皮查（ . Kapitza）和狄拉克（ . Dirac）發(fā)表的有關受激康普頓散射的論文中提到的，隨后各國科學家的努力下逐步得到高頻率，高功率的激光為什么這么多人注重呢？是因為自由電子激光與普通激光的單色性、方向性、相干性、高亮度相比以外，還具有以 下的特性激光效率高，激光功率高，光束質量好頻率可調、調諧范圍寬。我國在上世紀 80年代開始自由電子激光研究工作，建立了研究所并取得了不少的成就。第二章中推導了產生自由電子激光的相干性條件，運動軌道方程，高能自由電子在周期性磁場中運動時與光進行能量交換因為電子分布具有對稱性總的效果沒有能量交換，我們可以調整光的磁場和電場的方向破壞電子分布的對稱性得到高功率，高效率的激光。第三章中主要講的是由因為自由電子激光具有激光效率高、功率高、光束質量好頻率可調、調諧范圍寬的特點國防、生物科學、醫(yī)學、通信、工業(yè)方面得到廣泛的 應用 。 新疆大學 2020 屆本科生畢業(yè)論文 23 致 謝 首先向我的導師 博爾汗 老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！本論文的工作在導師的悉心指導和親切關懷下完成的，從論文的選題、論證、論文工作的開展，以及最后論文的結束，自始自終都傾注了導師大量的心血。寫論文過程中，導師淵博的學識，嚴謹的學風，高尚的人格，孜孜以求的探索和開拓精神，都給我留下了深刻的印象，將使我終生受益不盡。是導師把我領進了科研的大門，使我懂得了如何去從事科研，如何去思考問題，處理問題，增長了我的才干，鍛煉了我的能力，為我以后的進一步學習 奠定了堅實的基礎。感謝曾經教育和幫助過我的所有老師們，感謝與我并肩學習和互相幫助的同學們，感謝那些在我最困難的時候給予理解、關心和支持的朋友們！ 我非常感謝在百忙中抽出時間評閱本