1、毕业论文( 设计)题 目： 高能自由电子激光及其应用 高能自由电子激光及其应用ii新 疆 大 学毕业论文（设计）任务书班 级：物理学 04-4 班 姓 名：布尔汗.沙拉木 论文（设计）题目：高能自由电子激光及其应用 专 题： 材料物理 要 求 完 成 的 内 容 ：1、查找相关资料 2、了解自由电子激光的概念和历史发展 3、了解电子在电磁场中的运动特性 4、理解自由电子激光的原理 5、了解自由电子激光的的应用 发题日期：2008 年 12 月 25 日完成日期：2009 年 05 月 30 日实习实训单位：新疆大学 地点：物理科学与技术学院 论文页数： 页； 图纸张数： 页 ；指 导 教 师
2、： 教研室主任： 院 长 ： 新疆大学 2009 届本科生毕业论文iii声明本人郑重声明：1、此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注和致谢的地方外，本文不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。2、本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权新疆大学物理科学与技术学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段
3、保存和汇编本文。3、若在新疆大学物理科学与技术学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担（包括接受毕业论文成绩不及格、缴纳毕业论文重新学习费、不能按时获得毕业证书等），与毕业论文指导老师无关。作者签名： 日期： 年 月 日高能自由电子激光及其应用iv摘 要自由电子激光（Free-Electron Laser,简称 FEL）是自由电子为工作物质的一种完全新型的相干光源。它具有频带宽、频率可调谐、光束质量好、激光效率高和高功率等优点。这些特点与其它相干光源所不可比拟的。本文主要介绍的是自由电子激光的基本概念、历史发展，自由电子在电磁场中的运动特性，有加速高速运动的情形下的辐射
4、功率角分布。在此基础上进一步讨论了自由电子激光的产生机制：它是，高速运动自由电子在波荡器的周期磁场中受到外加电磁波电磁场的作用，在水平方向上受到调制而产生电子束的非对称分布，在该分部下的电子束与外加电磁波之间的能量交换过程中，损失的能量多于吸收来实现受激光放大。最后，讨论了自由电子激光在生物科学、医学和军事方面的实际应用。关键词：自由电子激光，波荡器，非对称分布的电子束，受激放大ABSTRACTFree-Electron Laser (FEL) is a completely new type of coherent light source with free electron as wor
5、king media. Wide frequency bandwidth, frequency tune ability, high beam quality, high efficiency, and high power are the main advantages. These features are inimitable to the other coherent light sources. In this paper, we mainly introduce the basic concept of the FEL and its historical developments
6、, characteristics of motion of free electrons in electromagnetic field, and the angular distribution of radiation power of accelerated high-speed electrons. Under the basis of which, we further discussed on the laser production mechanism of free electrons. It is just the stimulated emission of light
7、 which realized with much more lost of energy than absorption in the energy exchange process between external electromagnetic waves and the non-symmetric distributed high speed electron beams which modulated by the electromagnetic field of the external electromagnetic waves within the periodic magne
8、tic field of the undulator . Finally, we discussed the applications of the FEL on biological sciences, medicine, and military aspects.Key word: free electron laser, undulator, non-symmetric distributed electron-beams, amplification by stimulation新疆大学 2009 届本科生毕业论文1目 录前 言 .21、自由电子激光 .21.1 自由电子激光的基本概念
9、 .21.2 自由电子激光的发展概述 .21.3 自由电子激光的特性 .21.3.1 频率可调、调谐范围宽 .21.3.2 光束质量好 .21.3.3 激光功率高 .21.3.4 激光效率高 .21.4 自由电子激光的国内外研究动态 .22、运动电子在电磁场中的特性 .22.电磁场的数学描述 .22.2 运动电荷的电磁场 .22.3 加速运动电荷的辐射 .22.3.1 辐射总功率 .22.4 高速运动电荷和的辐射总功率 .23、自由电子激光的基本理论 .23.1 相干 .23.2 受激放大 .23.3 有质动力与电子束群聚 .24、自由电子激光的应用 .24.1 医学方面的应用 .24.2 工
10、业方面的应用 .24.3 生物科学方面的应用 .24.4 军事、通信应用 .2致 谢 .2叁 考 文 献 .2新疆大学 2009 届本科生毕业论文1前 言自由电子激光（free-electron laser）是具有与一般激光一样相干性好、单色性好、方向性好、亮度高等特点以外还有频率连续可调，频谱范围广，峰值功率和平均功率大，且可调，相干性好，偏振强，具有 ps 量级脉冲的时间结构等独特的特点。由此特点自由电子激光有广泛的应用及发展前景，在医学领域由于能够产生非常小的光斑，因而可以比较容易地在难度大的地方进行外科手术在切除病毒组织时对周围细胞伤害很小。生物科学，材料物理，国防等多方面也有其它光源
11、不可替代的应用。自由电子激光是加速器产生的高能自由电子束通过周期性变化的磁场产生的激光输出，这种激光的亮度非常高，通过改变电子能量、磁场周期和强度可以改变激光波长。1960 年，诞生了第一台激光器但是一般激光工作介质的热效应不可能大幅提高功率、效率和波长调谐范围能有大幅度地提高，早在 20 世纪 50 年代初期，就有人提出了自由电子受激辐射的设想，1977 年，美国斯坦福大学的红外波段实现受激辐射当时研究此课题时所需的电子加速器等设备相当复杂且价格昂贵难于实现广泛应用，1980 年，美国总统提出了战略防御倡议计划后自由电子激光器的发展大大促进了，国际上研究自由电子激光器的热点转向了小型化、实用
12、化、短波长 (真空紫外、软 X 射线)方面这个转向给我们把自由电子激光应用到民用领域的机会。我国对自由电子激光的研究工作开始于上世纪 80 年代，国内最代表性的单位有中国科学院高能物理研究所、中国工程物理研究院、中科院上海光机所、原子能研究院、电子科技大学高能电子学研究所、国防科技大学等等。1、自由电子激光1.1 自由电子激光的基本概念自由电子激光是一种以在周期磁场中作振荡的相对论优质电子束作为工作物质的大功率、可调谐的相干辐射源，它的物理基础是运动的自由电子对电磁波的受激散射。由于电子不像在普通激光器中那样受原子所束缚，电子是“自由 ”的，故叫自由电子激光(Free-Electron Las
13、er,简称 FEL)。根据是否以电子横向运动为基础，自由电子激光可以分为以下几种类 1：（1）以电子横向运动为基础的，现在的 FEL 主要指的此种类型。这类 FEL 又根据电子浓度的不同分为 Raman 型 FEL 和 Compton 型 FEL。（2）无需电子横向运动的 FEL，在这类 FEL 中，主要有以下三种：受激 Cerenkov 辐射，即当电子运动速度（均匀速度）超过周围介质中的光速时产生的一种辐射。Smith-Purcell 辐射。采用积分方法分析了线电荷串，沿周期性理想金属光栅表面平行移动时产生的史密斯-帕塞尔辐射。这种效应是 Smith-Purcell 于 1953 年发现的。
14、高能自由电子激光及其应用2 Channel 辐射，这种辐射是电子在晶体结构中运动，受到晶体中周期场相互作用而产生的一种辐射。1.2 自由电子激光的发展概述自由电子激光的基本概念可以追溯到上个世纪 30 年代的卡皮查（P.L.Kapitza）和狄拉克（P.A.M.Dirac ）发表的有关受激康普顿散射的论文 4，但一直没有得到重视。直到 1951年英国的科学家莫茨(H.Motz)在美国斯坦福大学首次设计了波荡器，并研究了相对论电子束通过了波荡器时所产生的自发辐射 11。其测得的频谱和功率与经典电动力学单电子辐射公式的计算结果是一致的。1960 年，菲利浦斯（R.M. Philips）利用莫茨的研
15、究成果研制出称为尤皮管（Ubitron 英语中习惯上用后缀“tron”命名各种电子器件如 ubitron，scattron 和 oratron等） 2的微波器件（现在可将它看作工作在泵浦状态下的弱相对论自由电子激光器） 3。他用 150Kev 的电子束获得了波长为 10cm、功率达到 100KW 的强相干辐射，电子束动能转换为辐射能的效率达到 10%。由于当时激光刚刚问世，受激辐射的概念一般还局限在物质的原子内部，电子束质量还不很优良，所以早期的实验工作都不理想，未能取得较好的结果。但是这些工作为以后的自由电子激光的发展奠定了基础。1970 年左右斯坦福大学的博士生梅迪（J.M.J.Madey
16、）开始研究被首次命名的“自由电子激光”，提出了相对论电子束在周期性静磁感应作用下，电子周期性横向运动有可能与光场发生相互作用，使光场得到受激放大的效果。1976 年伊莱亚斯（L.R.Elias）等人首次利用斯坦福大学的超导直线加速器完成了自由电子激光放大实验。电子束能量为 24Mev，电流强度为 74mA，在 0.24T 的螺旋波荡器感应场作用下，与同步输入的 激光发生相互作用，得到 7%的激光增益 3。m6.101977 年迪肯等人以振荡器工作方式进行了类似的实验，但电子束能量较高，电子束流更大（I=26A,E=43Mev），在激光波长为 时获得了 7KW 的峰值输出功率，能量转换m4.3效
17、率为 0.01%。此时 T.C.Marshall 等人用较强的泵浦场进行了 13mm 波段的自由电子激光放大器实验，成功地产生了数兆瓦功率的激光 3。尽管这些早期原理性实验的功率和效率都是很低的，但是，自由电子激光潜在的特点和优势，很快就受到科学家们的重视，有力的促进了世界范围内自由电子激光实验工作的开展。与早期实验工作进行的同时，各种理论研究工作也相继问世。1983 年 3 月美国总统里根提出了“战略防御倡议计划 ”（Strategic Defence Initiative 的简称 SDI 计划）。由于自由电子激光的一系列优点而被作为其中的地基强激光武器部分的主要候选者。因此从 1985 年以后，自由电子激光的发展明显受到“SDI”计划的影响和推动，世界各国出现了自由电子激光的研究热潮。法、俄、英、德、中、日、荷兰等国家纷纷开展了这方面的工作 10。自由电子激光作为激光家族的新成员，从其问世开始就以其独有的特点引起了人们的重视。在通讯、雷达、等离子体加热、激光光谱学等民用和军事应用领域都有诱人的应用前景。1.3 自由电子激光的特性 自由电子激光是上个世纪 70 年代以来诞生的一种新型的激光器件，是世界高新科学技术的前沿之一，在激光舞台上，自由电子激光与普通激光的单色性、方向性、相干性、高亮度相比以外，还具有以下的特性：
