自由电子激光奖的著名获奖者

1953年，斯坦福大学的汉斯·莫茨（Hans Motz）和他的同事使用摆动磁装置创造了一个波动器。波动器由以周期性结构排列的偶极磁体组成。通过周期性磁性结构的电子振荡并释放出强烈的能量。通过这种方法，斯坦福大学的约翰·马迪（John Madey）在1971年创造了第一个自由电子激光器。Madey使用5米长的摆动器和43 MeV的电子束放大了信号。

FEL的工作原理

电子流以接近光速的速度加速以产生FEL。电子沿纵束方向沿摆动器定向，而穿过它的方向称为横向。光束中的电子被迫在场的洛伦兹力下横向移动，并沿着磁体阵列轴线的正弦模式移动。

由于来自随机分布的电子的电磁波在时间上会受到正向和负向干涉。当电子横向加速时，它们会产生单色但不相干的光子。辐射功率随电子量线性增加。驻辐射波由波动器的两端镜子产生，或者由外部激发激光器产生。当辐射足够强大时，横向电子电流的正弦运动与辐射束的横向电场相互作用，导致一些电子获得能量，而另一些电子则由于思考的动势而消散。

在一个光学波长的周期内，这种能量调制发展成电子密度的变化。因此，电子纵向聚集成微束，并沿轴线通过一个光学波长分开。同相束电子产生相干组合辐射。相比之下，波动器本身会产生不相干辐射的电子。

随着辐射强度的增加，电子继续微束。这个过程一直持续到达到与波动器高得多的饱和功率限制。通过修改电子束的能量或波动器的磁场梯度，可以轻松改变发射的辐射波长。

FEL的优势

以下是自由电子激光器的主要吸引力：

· 它们能够在非常宽的波长范围内工作。根据电子的能量，FEL的波长可以是毫米到X射线的任何波长。

· 宽波长调谐范围可通过单个器件实现。

· 在传统光源无法达到的波长范围内具有高规格的性能。

产生高功率的能力及其可调性使FEL在许多领域都具有很高的吸引力，包括固态物理学，表面研究，生物物理科学，化学技术，材料科学，非线性光谱学，冲击物理学，固体密度等离子体和化学工程。

FEL获奖者

除了1988年获得第一个FEL奖的FEL的发明者John Madey之外，其他31位杰出科学家因其贡献而获得该奖项。完整列表可以在这里找到。其他一些著名的获奖者，他们的获奖年份和他们的成就如下：

· 罗伯特·菲利普斯 （1992） - 用于开发育创。Ubitron是一种高功率行波管，它与磁起伏的周期性电子束相互作用。

· Claudio Pellegrini（1999） - 表彰他在X射线自由电子激光器（XFEL）和相对论性粒子束和集体效应方面的创新工作。

· Li-Hua Yu （2003） - 自放大自发发射自由电子激光器（SASE FEL）和高增益谐波产生自由电子激光器（HGHG FEL）由Yu及其同事开发。

· Avraham Gover （2005） - 为FEL假说创造了创新的理论基础。

· Vladimir Litvinenko和Hiroyuki Hama （2004） - Litvinenko和他的团队使用光学速调管（一种更复杂的FEL设计）建造了许多FEL。该小组是世界上第一个分别于1988年和1999年将FEL范围扩展到紫外线波长和真空紫外线的小组。

· Zhirong Huang和William Fawley（2014） - Jeong创造了第一个毫米波FEL，随后是第一个紧凑型太赫兹FEL。Fawley因其在创建早期FEL模拟算法方面的工作而被授予FEL奖。

· Bruce Carlsten，Dinh Nguyen和Richard Sheffield（2017） - 表彰他们在第一个可操作的RF光注入器和第一个引入发射校正概念的理论模型方面的创新工作。

未来展望

鉴于每年的高发表率以及所涉及的论文的多样性和动态性，很明显，FEL的科学，技术和应用在各个方面都取得了重大突破。

需要强调的是，由于FEL科学技术的快速增长，现在全球对X射线FEL接入的需求越来越大。发达经济体政府认识到，投资国家设施对于保持在国际舞台上的竞争力至关重要。国家设施不仅有助于科学进步，而且有助于国家工业基础的竞争优势发展、关键技术开发和技能发展。

参考文献

1. E A Seddon et al, Short-wavelength free-electron laser sources and science: a review. 2017 Rep. Prog. Phys. 80 115901. DOI 10.1088/1361-6633/aa7cca

2. P. G. O’Shea, H. P. Freund, Free-electron lasers: Status and applications. Science 292, 1853–1858 (2001).

3. McNeil, B., Thompson, N. X-ray free-electron lasers. Nature Photon 4, 814–821 (2010). https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.239