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超快激光

新建成的大连自由电子激光装置

是世界上最亮的极紫外光源

对于新建成的极紫外自由电子激光装置而言，超快激光系统是其重要组成部分。
利用极紫外自由电子可以开展一些独特研究，探索分子、团簇和气溶胶的电子结
构和化学动力学。

文/Joseph Henrich，Marco Arrigoni，卢兴发；Coherent公司

简介 了国家自然科学基金委员会的资助。 效应和雾霾形成等。
自由电子激光装置（Free Electron 大连相干光源输出脉冲的重复频率为

Laser）是一种无与伦比的工具，它可 50Hz，并且能够针对窄线宽或短脉冲 自由电子激光基础知识
以获得飞秒或皮秒脉宽的相干激光输 宽度的应用需求进行优化，为开展光 与其他任何类型的脉冲激光器相
出，其波长的调节范围、峰值功率， 化学和物理化学的创新研究奠定了基 比，自由电子激光装置不仅体积要大
都是任何其他方法无法实现的。迄今 础。由于大连相干光源能够提供无与 几个数量级（最长可达千米量级），
为止，自由电子激光的研制主要瞄准 伦比的高强度脉冲，因此可以在密度 而且复杂程度更高，但基本原理类似。
输出波长尽可能短的激光脉冲，比 极低的样品（即气相分子、团簇和气 自由电子激光利用电子束作为增益介
如低至 1nm 的 X 射线波段。相比之 溶胶）开展研究。在本文中，我们将 质。具体来说，就像同步加速器的工
下，中国科学院大连化学物理研究所 介绍超快激光系统在支持大连相干光 作原理，加速和减速高速运动的电子，
在建的自由电子激光装置（大连相干 源运行、以及在利用大连相干光源开 就会发射电磁辐射。在自由电子激光
光源），是专门针对极紫外波段的自 展研究（例如泵浦 / 探测）中发挥的 中，该机制被用来实现相干、短波长、
由电子激光装置，输出 50~150nm 的 重要作用。这些研究涉及众多领域， 超短脉冲输出。
波长可调谐脉冲。大连相干光源得到 包括提高燃烧效率、表面催化、温室 图 1 展示了新建的大连相干光源
的主要组成部分。首先，电子注入器
产生皮秒量级的电子脉冲，然后电子
脉冲通过强电场进行加速。接近光速
运行的电子束被压缩后通过波荡器。
波荡器由垂直于电子运动方向的一系
列周期性排列的磁铁组成（见图 2）。
这些磁体的极性交替变化，从而导致
电子沿正弦路径加速，从而发射电磁
辐射。在自由运行条件下，发射的辐
射会反过来对电子的能量和密度进行
调制，从而形成以辐射波长为间隔
的“微束团”。然后，微束团会以这
图 1：大连相干光源示意图。涉及到两套超快激光系统：驱动激光和种子激光。另外在试验站还会涉及到
其他超快激光系统，以实现泵浦/探测试验。 一波长相干辐射。（在某些注入种子

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