我国在全相干自由电子激光研究方面取得进展

近期，上海高等研究院在全相干自由电子激光研究方面取得进展，基于上海软X射线自由电子激光装置成功验证了由我国自主提出的回声谐波级联自由电子激光新机制，并获得了具有优异性能的软X射线相干辐射。相关研究成果为产生亚纳米波段的全相干自由电子激光提供了切实可行的技术路线，并将为X射线非线性光学和超快物理化学等领域提供理想的研究工具。

相干辐射是指互为同相的辐射。相干辐射,就像在激光束中发现的那样,会互相干涉,产生出干涉图形,用以探测运动或位置中的偏差.这对于干涉仪和引力波探测器有用。

回声谐波放大型自由电子激光(EEHG-FEL)是一种先进的基于外种子激光的谐波产生方案，它具有较高的谐波转换次数，可以达到X射线波段，它产生的自由电子激光辐射具有优异的时间相干性和空间相干性。

直线加速器产生的电子束团经过第一个调制段波荡器与种子激光进行相互作用后，会产生正弦状的能量调制，经过第一个较强的色散段后，电子束的相空间会被撕裂成能带结构。

自由电子激光是利用自由电子为工作媒质产生的强相干辐射，它的产生机理不同于原子内束缚电子的受激辐射。自由电子激光的概念是John M. J. Madey于1971年在他的博士论文中首次提出的，并在1976年和他的同事们在斯坦福大学实现了远红外自由电子激光，观察到了10.6μm波长的光放大。自那以后，许多国家都开展了关于自由电子激光的理论与实验研究。

自由电子激光的基本原理是通过自由电子和光辐射的相互作用，电子将能量转送给辐射而使辐射强度增大。

自由电子激光具有一系列已有激光光源无法替代的优点。例如，频率连续可调、频谱范围广、峰值功率和平均功率高且可调、相干性好、偏振强，具有ps量级脉冲的时间结构。

自由电子激光的物理原理是利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。利用这一基本思想而设计的激光器称为自由电子激光器(简称FEL)。一组扭摆磁铁可以沿z轴方向产生周期性变化的磁场.磁场的方向沿y轴。由加速器提供的高速电子束经偏转磁铁D导入摆动磁场。

由于磁场的作用.电子的轨迹将发生偏转而沿着正弦曲线运动，其运动周期与摆动磁场的相同。这些电子在xOz面内摇摆前进，沿x方向有一加速度，因而将在前进的方向上辐射出电磁波。辐射的方向在以电子运动方向为中心的一个角度范围内。

由此可见，自由电子激光器的工作原理完全基于经典物理学，不同于传统激光器(如红宝石激光器)依赖于原子的受激吸收与受激辐射这一量子现象。在经典物理学中，能量是连续的，而不是离散(量子化)的。从而，自由电子激光器可以实现辐射频率的大范围连续调节。

自由电子激光器的高效率、短脉冲及波长可调的优点，在工业上也有广阔的应用前景。例如在半导体工艺中的薄膜沉积、平板印刷术、蚀刻、掺杂质等，自由电子激光器特别适合大批量材料处理，因为它的波长可调谐，器件又可放大到能输出高平均功率。用于材料处理时，要求功率为1~5KW，波长为8~20Van的自由电子激光器。自由电子激光器还可进行各种化学分析与测量，可以生产高纯硅晶体、满足计算机生产的需要.集成电路装配，包括量子处理和光刻可更多地借助短波自由电子激光器。

另外，自由电子激光器还用在激光加工、光CVD等方面的材料，制作X射线激光器、激光加速器等。自由电子激光器还用在原子、分子的基础研究上。光化学可依赖工作在紫外到远紫外区的自由电子激光器。自由电子激光的可调谐性和超短脉冲特性，使得探索化学反应过程、生化过程的动态过程成为可能。这对研究物质的结构和性能，以及对生成新物质的研究，将会产生革命性的变革和新的进展。

软X射线投影光刻技术是现有可见-近紫外投影光刻技术向软X射线波段(1～30nm)的延伸。但是，由于此波段任何材料的折射率均接近于1，而且吸收较大，微缩投影光学系统必须采用反射系统，而单层膜反射镜对正入射软X 射线的反射率几乎为零，无法利用其组成正入射系统。70年代后，随着超光滑表面加工技术和超薄膜制备技术的不断提高，目前人们制备的13nm Mo/Si多层膜反射率已接近70%，这使人们利用多层膜反射镜集成软X射线投影光刻系统成为可能。

在软X射线投影光刻的光源中，激光等离子体光源比同步辐射源体积小、价格便宜、易于在现有集成电路生产线上安装。但常规激光等离子体光源在激光直接照射在固体靶上时，除辐射出所需软X射线外，还产生大量的碎屑，会污染并缩短光学元件的寿命。为此，实用化的光刻系统必须使用无污染的激光等离子体光源。