J.Madey于20世纪70年代初提出了自由电子激光(freeelectronlaser，FEL)原理，此后又在实验上得到验证，从此以后，FEL因其具有波长可任意选择的独特优势，受到了科学家们的青睐，FEL技术的发展和设备的建造方兴未艾。在20世纪80年代，美国的“星球大战计划”企图用FEL作为定向能武器而称霸太空，各个科技强国争相开展FEL的研究，但Paladin计划的失败使该计划搁浅，于是FEL的研究热潮随之降温。

▲量子激光原理(束缚电子激光)

“laser”(激光)一词是受激发射辐射光放大(lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)英文首字母的缩写词。常规激光器由三个基本部件组成：至少具有三个能级的激光介质、产生粒子数翻转的能泵和光学共振器。在常规量子激光中，一个电子束缚于原子、分子或固态能级上，于是量子激光也可以称为束缚电子激光(bound-electronlaser)。与之相比，FEL中电子在真空中自由运动，故称为自由电子激光。在FEL中，相对论电子束因为在光波波长的尺度上的自调制过程(称为微群聚)而有大量电子相干地发出辐射，于是辐射功率以粒子数的平方定标。对于相干区典型的个电子，FEL的输出光子比波荡器高百万倍。

后来，FEL的发展朝向更短波长的可调、高功率、单色的相干辐射光源，FEL装置有潜力成为功率极强的X射线谱区的新光源。为了克服反射镜或相干种子方面的困难，人们使波荡器的初始随机自发辐射在很长的波荡器中被高亮度电子束介质放大而成为很强的准相干辐射。在从几纳米(nm)到埃(?)区的X射线波长范围内，以自放大自发辐射(SASE)模式运行的高增益FEL可以产生功率为吉瓦(GW)级、时间间隔为飞秒(fs)级的相干X射线脉冲。位于汉堡的德国电子同步辐射加速器(DESY)的真空紫外线(VUV)和软X射线FEL设备Flash在X射线FEL发展中起了先驱作用。类似地，位于斯坦福的直线加速器相干光源(LCLS)和位于汉堡的欧洲X射线自由电子激光(XFEL)设备所产生的X射线脉冲的峰值亮度提高了10个量级。

高脉冲能量和飞秒级时间长度的X射线脉冲及其相干性开启了全新的研究领域，例如，单个生物分子的结构分析，这是第三代光源所不可及的。21世纪以来，加速器和FEL技术的巨大进展已开创了第四代光源的新纪元，实际上SASE-FEL就是基于加速器的第四代光源。与现有的同步辐射光源(主要是配备有波荡器的储存环)相比，SASE-FEL对电子束品质(小的束截面、高电荷密度以及低的能散度)的要求如此之高，以至于只能用直线加速器来驱动这样的电子束。

▲FEL原理：(a)可见光或红外区使用光腔；(b)紫外和X射线区可以利用SASE机制

在FEL中相对论电子束既是激活激光的介质，又是激光能量泵浦者。运行于红外和可见光区的FEL可以装配光腔，短波荡器每单程的百分之几的光强度增加足以在多次往返后实现FEL增益并达到激光饱和。但是如果将波长降低到nm以下，则因为在正入射情况下金属和其他反射镜镀层的反射率快速降到0而不再能使用光学腔。在极紫外和X射线区的大激光增益必须在很长的波荡器磁铁的单程内达到。在这些短波长情况下，自放大自发发射可以实现高增益的FEL。

顺便提及，作为第四代光源原理的竞争者，由电子束引起的强激光的汤姆孙散射则有产生高通量(?1021光子/s)、窄谱宽(0.1％)、高亮度(?光子/(s·mm2·mrad2))和超短持续时间(1ps)的X射线脉冲的能力；这种光源称为LSS，是“激光同步辐射光源”的英文缩写。

《X射线自由电子激光物理导论》序

当著者请我为《X射线自由电子激光物理导论》作序时，映入我脑海里的第一个画面是年夏天我们在德国德累斯顿里斯本河畔讨论如何发展中国X射线自由电子激光的情景。那一周，我们正在参加第五届国际粒子加速器大会，在会上美国科学家提出基于连续波超导直线加速器的高重频X射线自由电子激光直线加速器相干光源II(LCLS-II)，令人耳目一新。实际上在这之前的年和年，我作为会议主席在上海组织召开了第33届国际自由电子激光大会和第4届国际粒子加速器大会，这些会议都及时报告了美国LCLS、日本SACLA(Spring-8angstrom

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