【導(dǎo)讀】除了特別加以標(biāo)注和。致謝的地方外，本文不包含其他人或其它機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人與集體均已在文中作了明確標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本。國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交此論文的復(fù)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(fù)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(dǎo)老師無關(guān)。自由電子激光是自由電子為工作物質(zhì)的一種完全新型的。點(diǎn)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(yùn)動(dòng)特性，有加速高速運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)受激光放大。最后，討論了自由電子激光在生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)和軍事方面的實(shí)際應(yīng)用。

　　

【正文】 (6)所示。 這時(shí)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(jié)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(diào) 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(shè)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(dòng)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(zhì)動(dòng)力因?yàn)?x? 和 sB 都是周期振蕩的，有質(zhì)動(dòng)力是它 們 振 蕩的合成，從而也是周期振蕩的，因此有質(zhì)動(dòng)力也稱有質(zhì)動(dòng)力波。 圖 6 高能自由電子激光及其應(yīng)用 18 根據(jù) x? 與 sB 振蕩合成，很容易求得有質(zhì)動(dòng)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(shù)和初相位， s? 是隨時(shí)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(zhì)動(dòng)力波作用能有效進(jìn)行能量交換的條件是電子縱向運(yùn)動(dòng)速度與有質(zhì)動(dòng)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(shí)稱電子與有質(zhì)動(dòng)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(guān)系。 設(shè)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(gè)波長 w? 作平 均，并應(yīng)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(guān)電 子在有質(zhì)動(dòng)力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及能量交換過程都可以用這兩個(gè)方程進(jìn)行定量分析。 首先分析電子的群聚過程 。 和激光一起進(jìn)入波蕩器的電子，設(shè)它們的初始相位是均勻分布，如圖 (6)，因?yàn)橛匈|(zhì)動(dòng)力是周期性的，所以只要分析在 ? ?,??? 區(qū) 間內(nèi)的初始電子，而且假定初始電子的能量 ? 是嚴(yán)格滿足共振條件 。 由 ()式，初相位 ? 在 ? ?0,? 內(nèi) 的電子，因?yàn)閟in 0, 0ddz?? ??，電子損失能量，因而沿 z 方向運(yùn)動(dòng)速度減?。怀跸辔?? 在 ? ?,0?? 內(nèi)的電子，sin 0, 0ddz?? ??電子獲得能量，相應(yīng)地電子沿 z 方向運(yùn)動(dòng)速度增大 。 這樣在前面的電子向新疆大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 19 前運(yùn)動(dòng)速度變慢了，而后面的電子向前運(yùn)動(dòng)速度加快了，結(jié)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(xiàn)的電子 “群聚 ”。如果電子運(yùn)動(dòng)與有質(zhì)動(dòng)力波嚴(yán)格 “同步 ”(共振 )，即 z ???? ，激光還是沒有增益 。 因?yàn)槿壕凼窃?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(yùn)動(dòng)速度要稍超過有質(zhì)動(dòng)力波的相速度 ?? ，即 z ???? ，這時(shí)電子處于失諧狀態(tài)，如圖(7b)所示。 這樣電子就圍繞另一個(gè)相位點(diǎn) 0r?? 處群聚，由于群聚中心前后電子數(shù)目不對稱，損失能量的電于數(shù)目略多于獲得能量的電子數(shù)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(guān)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(chǎn)生自由電子激光的重要指標(biāo)。應(yīng)用基本方程 ()和 ()可以計(jì)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(nèi)均勻分布， 每個(gè)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(shè)入射激光的波長 (或頻率 )滿足共振條件，則定義失諧參數(shù) 2 ( )2 [ ]rrN ???? ??? () 在小信號激光近似下，可以由 ()和 ()方程計(jì)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(shù)， I 是電子束 對應(yīng) 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(shù)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(yīng)用 20 圖 (8)增益函數(shù)曲線的意義非常明確， 增益 G 是與失諧參數(shù) ? 有關(guān)。顯然，嚴(yán)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(dāng) 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(shí) 0G? ，激光才得有效增益，而且當(dāng) ?? 附近，增益最大。當(dāng) 20??? ? ? 時(shí)， ( ) 0f ?? ，增益是負(fù)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(zhì)：小信號增益是和電子束的電流成正比，增加電流、適當(dāng)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(huì)迅速下降；當(dāng)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(jīng)過指數(shù)增益區(qū)達(dá)到飽和值。因?yàn)樾⌒盘柗糯笾?，電子與激光之間有較強(qiáng)的作用，這時(shí)電子能量 ? 發(fā)生改變。因此在指數(shù)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(jìn)行描述并計(jì)算增益指數(shù)。自由電子激光功率在指數(shù)增益區(qū)達(dá)到一定程度平均能量不再增加通常稱為功率飽和現(xiàn)象。這一點(diǎn)也可以從物理上簡單的考慮得到解釋。如圖（ 7b），當(dāng)電子圍繞相位 r? 群聚時(shí)，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(dá)到軸上某一距離時(shí)， 0r?? ，即回到圖 (7a)情形，這時(shí)平均能量交換為 0，因而激光功率達(dá)到飽和。 自由電子激光的應(yīng)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(zhì)的相互作用 ， 這類研究涉及到固體表面物理、半導(dǎo)體物理、超導(dǎo)體、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、光譜學(xué)、非線性光學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料、能源、通信、國防和技術(shù)科學(xué)等多個(gè)方面。原子核工程是自由電子激光器應(yīng)用圖 8 新疆大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 21 最有前途的領(lǐng)域之一，自由電子激光器在此應(yīng)用上的最大優(yōu)點(diǎn)是高功率、寬可調(diào)光譜范圍，以及準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)。因此，可應(yīng)用于物質(zhì)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(xué)方面的應(yīng)用 FEL 器醫(yī)學(xué)方面的前途主要為兩個(gè)方面激光外科和光輻射醫(yī)學(xué)。由于能夠產(chǎn)生非常小的光斑，因而可以比較容易地在難度大的地方進(jìn)行外科手術(shù)在切除病毒組織時(shí)對周圍細(xì)胞傷害很小。 FEI 器取得成功的第二個(gè)領(lǐng)域是光輻射醫(yī)學(xué)。在類應(yīng)用中將光敏染料注射到病人身上，染料獨(dú)特的方式進(jìn)入癌細(xì)胞然后用在浸透染料的細(xì)胞上引起反應(yīng)的激光束照射病區(qū)例如染料會(huì)使細(xì)胞射放游離氧立即把病細(xì)胞殺死 [3]。 在馬薩諸塞州總醫(yī)院韋爾曼（ Wellman）中心光醫(yī)學(xué)有關(guān)的研究人員，美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院和美國能源部 托馬斯杰弗遜國家加速器實(shí)驗(yàn)室（杰弗遜實(shí)驗(yàn)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(zhì)豐富的組織或脂肪，新的研究為基礎(chǔ)的激光療法，可以治療多種健康問題比如嚴(yán)重的痤瘡，動(dòng)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(shù)獲得正常組織?；趯χ镜奈展庾V，在杰弗遜實(shí)驗(yàn)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(jié)果 與加熱 純凈水的 類似實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了 比較 。在大多數(shù)的紅外波段進(jìn)行 的 探測中，研究人員發(fā)現(xiàn)，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(yīng)用 自由電子激光器的高效率、短脈沖及波長可調(diào)的優(yōu)點(diǎn) ， 在工業(yè)上也有廣闊的應(yīng)用前景。例如在半導(dǎo)體工藝中的薄膜沉積、平板印刷術(shù)、蝕刻、摻雜質(zhì)等，自由電子激光器特別適合大批量材料處理，因?yàn)樗牟ㄩL可調(diào)諧，器件又可放大到能輸出高平均功率。用于材料處理時(shí) ,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(jìn)行各種化學(xué)分析與測量，可以生產(chǎn)高純硅 晶體、滿足計(jì)算機(jī)生產(chǎn)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(xué)方面的應(yīng)用 自由電子激光器還用在原子、分子的基礎(chǔ)研究上，光化學(xué)可依賴工作在紫外到遠(yuǎn)紫線外區(qū)的自由電子激光器。自由電子激光的可調(diào)諧性和超短脈沖特性，使得探索化學(xué)反應(yīng)過程、生化過程的動(dòng)態(tài)過程成為可能。這對研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能對生成新物質(zhì)的研究，將會(huì)產(chǎn)生革命性的變革和新的進(jìn)展 [14]。自由電子激光器應(yīng)用最豐富的領(lǐng)域 在 X 射線激光的幫助下，生物結(jié)構(gòu)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(fù)合物。在超短曝光時(shí)間，研究人員也可以追查這些分子復(fù)合物。這種新的見解，例如，到感染的進(jìn)展情況在分子水平上，還形成的重要基礎(chǔ)，開發(fā)新藥物。而目前當(dāng)務(wù)之急是研制緊湊、實(shí)用的小型自由電子激光器，其主要目的是把價(jià)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(yīng)用 22 軍事、通信應(yīng)用 在軍事上 ,自由電子激光器可以成為強(qiáng)激光武器，是反洲際導(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)相干信號源，在毫米波激光雷達(dá)、反隱形軍事目標(biāo)和激光致盲等研究中具有不可替代的重要應(yīng)用價(jià)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(xiàng)技術(shù)可以解決通訊、導(dǎo)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(shí)，要求功率為 MWKW 1~100 ,波長為 ? 的自由電子激光器。 5 總結(jié) 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(gè)世紀(jì) 30 年代的卡皮查（ . Kapitza）和狄拉克（ . Dirac）發(fā)表的有關(guān)受激康普頓散射的論文中提到的，隨后各國科學(xué)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?yàn)樽杂呻娮蛹す馀c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(zhì)量好頻率可調(diào)、調(diào)諧范圍寬。我國在上世紀(jì) 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(dǎo)了產(chǎn)生自由電子激光的相干性條件，運(yùn)動(dòng)軌道方程，高能自由電子在周期性磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)與光進(jìn)行能量交換因?yàn)殡娮臃植季哂袑ΨQ性總的效果沒有能量交換，我們可以調(diào)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?yàn)樽杂呻娮蛹す饩哂屑す庑矢?、功率高、光束質(zhì)量好頻率可調(diào)、調(diào)諧范圍寬的特點(diǎn)國防、生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)、通信、工業(yè)方面得到廣泛的 應(yīng)用 。 新疆大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 23 致 謝 首先向我的導(dǎo)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(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)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(jié)束，自始自終都傾注了導(dǎo)師大量的心血。寫論文過程中，導(dǎo)師淵博的學(xué)識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)，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(dǎo)師把我領(lǐng)進(jìn)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(jìn)一步學(xué)習(xí) 奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。感謝曾經(jīng)教育和幫助過我的所有老師們，感謝與我并肩學(xué)習(xí)和互相幫助的同學(xué)們，感謝那些在我最困難的時(shí)候給予理解、關(guān)心和支持的朋友們！ 我非常感謝在百忙中抽出時(shí)間評閱本