(free electron laser，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。

　　“laser”(激光) 一词是受激发射辐射光放大(light amplification by stimulated emission of radiation) 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-electron laser)。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106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(Å) 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100 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(⩾ 1019 光子/(s·mm²·mrad²)) 和超短持续时间(1 ps) 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。

　　当著者请我为《》作序时，映入我脑海里的第一个画面是2014 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2011年和2013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-8 angstrom compact free-electron laser)、意大利FERMI 等X 射线自由电子激光装置的成功建设和运行情况，还有韩国PAL-XFEL、瑞士SwissFEL和欧洲XFEL等装置的建设进展，让我们真切地感受到了国际上X射线自由电子激光发展的强劲势头。

　　在这种情况下，我们共同想到了举办中国的自由电子激光学术交流会这一动议，借此推动国内自由电子激光物理和技术的发展。于是，中国科学院上海应用物理研究所和中国工程物理研究院流体物理研究所于2014年在我国的水晶之城江苏省东海县举办了中国首届自由电子激光学术交流会。之后，由中国工程物理研究院流体物理研究所在北川举办了第二届，由北京大学举办了第三届，原计划由中国科学院大连化学物理研究所举办的第四届，因新冠肺炎疫情暂缓。21世纪以来，我国的短波长高增益自由电子激光研究和装置研制得到加速发展。2010年上海深紫外自由电子激光出光；2013年7月大连极紫外自由电子激光动工，2017年初步建成并向用户开放；2014年12月X射线自由电子激光试验装置获批开建，2016年11月获得进一步支持，开始基于该试验装置升级建设用户装置，目前覆盖整个“水窗”波段的上海软X射线自由电子激光设施已经建成；2018年4月上海硬X 射线自由电子激光装置启动建设，目标是2025年出光。近几年，成都、大连和深圳等地也相继提出了建设极紫外和X 射线自由电子激光装置的动议，我国高增益自由电子激光的发展进入了新阶段。

　　根据国内外自由电子激光的发展态势，可以预见X射线自由电子激光装置研制和使用的从业人员将大幅度增长。近年来，自由电子激光相关的专业书籍在国内外时有出版，仅中文版的就有三本，包括：2018年出版的北京大学黄森林和刘克新教授翻译的美国阿贡国家实验室金光齐和黄志戎教授等著的《同步辐射与自由电子激光——相干X射线年出版的我和同事编著的拙作《先进X射线光源加速器原理与关键技术》、2022年出版的中国科学技术大学贾启卡教授著的《自由电子激光物理导论》。

　　《》的初稿是作者在论证猝发脉冲高重频硬X 射线自由电子激光装置过程中，为给中国工程物理研究院的青年科技工作者和研究生讲授X射线自由电子激光物理课程而撰写的。通过授课，作者将讲稿进行了进一步整理和修改，撰写成书。该书描述了低增益自由电子激光理论，也论述了高增益自由电子激光的物理过程，特别是书中的第8章专门讨论了逆汤姆孙散射型的高能γ射线源的物理过程，这些内容对从事X射线自由电子激光研究和应用的科技工作者、教师和学生都具有参考价值。

　　在《》的“低增益FEL理论” 一章中将看到电子和在波荡器内已经激发的光波之间的耦合(程度) 正比于光波的电场，而激光增益正比于光波中的光子数目。因此在论及FEL时，受激发射辐射的光放大的说法是正确的。而且，在FEL中一有光出现，它就具有常规激光的性质，即单色、偏振、极亮、高度准直以及高度的横向相干性。

　　FEL方程可以根据经典相对论电动力学推导而不必使用量子理论方法。波荡器辐射或FEL辐射不像原子内的光学跃迁，其功率计算不需要使用量子力学矩阵元，而是用加速电荷辐射的经典拉莫尔公式。

　　第1章比较了常规量子激光与FEL。第2章论述波荡器辐射，它与FEL辐射密切相关。第3章推导低增益FEL理论。第4章介绍高增益FEL理论基本知识，包括微群聚概念以及麦克斯韦波动方程和弗拉索夫方程的基本思想。第5章则根据傅里叶–拉普拉斯变换来研究三维情况下的高增益FEL理论，可以考察电子回旋加速运动、横向效应对增益长度的影响，可以使用于FEL 功率饱和的非线性区；在一维近似下的结果与第6章的结论相一致。第6章则在一维近似下处理高增益FEL：推导了一阶耦合方程以及三阶方程；在FEL的线性区，该三阶方程在FEL物理的线性区有效，此区的输出电场与输入电场呈线性关系；通常将该区称为指数增益区，其FEL功率与在波荡器内飞行距离之间呈指数增长关系；耦合一阶方程则更普遍，也可以使用于FEL功率饱和的非线性区。

　　特别要强调的是SASE。SASE-FEL常常被视为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。

　　第7章研究对电子束电流和能量的要求、分析多种非理想因素对FEL增益长度的影响并介绍光源亮度的一些基本概念。非理想因素包括电子束固有能散度、发射度、电子束的回旋加速振荡运动以及光量子的量子统计等。

　　第8 章则介绍可以提供X射线但不同于欧洲XFEL的所谓激光同步辐射光源(LSS)。激光同步辐射光源使用电子的逆汤姆孙散射原理，从经典角度分析电子在激光场中的横向振荡所发射的辐射；激光同步辐射光源中激光场的周期性磁场起着类似于激光同步辐射光源设备中的波荡器的作用，利用两次多普勒效应得到反散射的X射线辐射。

　　本文摘编自《X射线自由电子激光物理导论》（章林文编著. 北京：科学出版社，2022.9）一书“第1 章引言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。

　　本书描述了X射线波段自由电子激光（free electron laser，FEL）的兴起与发展，论述了电子束通过波荡器时发出的电磁辐射，介绍了低增益FEL理论；也论述了高增益FEL 理论中的基本知识，包括微群聚概念以及麦克斯韦波动方程和弗拉索夫方程的基本思想，同时根据傅里叶-拉普拉斯变换来研究三维情况下的高增益FEL 论，可以考察电子回旋加速、横向效应对增益长度的影响，可用于FEL功率饱和的非线章中，讨论了一维近似下处理高增益FEL的问题，推导了一阶耦合方程以及三阶方程，以明了FEL物理过程，该三阶方程在FEL物理的线性区有效，此区的输出电场与输入电场呈线章简单地介绍了激光同步辐射光源。本书适合从事自由电子激光的科学研究工作者阅读参考。

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