中国科学院物理所的杨国帧院士作了X射线自由电子激光，在科技上重要意义和发展路线图方面的主题评述报告，中国科学院上海应用物理所的赵振堂研究员作了关于我国紧凑型自由电子激光发展的主题评述报告。本次会议旨在明确硬X射线自由电子激光在科学应用方面的重要性和工程技术方面的可行性，探讨中国发展硬X射线自由电子激光的合理路线图，以期尽早在我国建成最新一代的大型光源——硬X射线自由电子激光。

       

       硬X射线自由电子激光是目前国际上最强大的X射线激光，在亮度、相干性和超快特性等方面具有其他装置无法比拟的优异性能，科学技术应用极为广泛，我国科学界对此要求十分迫切，是我们在现阶段应该重点发展的通用型大科学平台装置。基于高梯度加速技术的紧凑型自由电子激光在装置原理与技术上已经成熟，我国在这方面已有丰富的积累，完全可以在近期内建成硬X射线自由电子激光。因此，应该加快布局和立项申请工作，同时通过加强国际国内合作和拓展经费渠道，充分利用现有装置和条件发展实验方法和锻炼队伍，为更好地利用未来我国硬X射线自由电子激光做好准备。

自由电子激光器的工作原理
 
       自由电子激光器是加速器和激光技术的组合。其主要技术组成是电子加速器、磁摆动器、光子光学系统和各种监测、控制系统。自由电子激光器采用的是射频直线加速器、电子储存环、静电加速器、感应直线加速器等脉冲装置。从加速器引出的高能电子束相当于激光工作物质， 因而电子束质量的好坏直接影响着整个激光器性能。相对论电子束从激光共振腔的一端注入经过摆动器时， 受到空间周期性变化的横向静磁场作用。磁场由一组“摆动器”或“波荡器”的磁铁产生。磁铁以交替极性方式布置， 磁场为螺旋式或平面式。在该磁场作用下， 电子束在磁摆动器中一边前进， 一边有横向摆动。例如， 周期性磁场在水平面内， 电子则周期性地上下摆动。电子的横向及运动方向的改变， 表明电子有加速度。根据电磁辐射理论， 电子有加速就必然会辐射电磁波。这种带电粒子沿弯曲轨道运动而辐射电磁波， 被称为同步辐射。同步辐射有一个比较宽的频率辐射范围， 但缺乏单色性和相干性。这种自发辐射一般不很强， 峰值电流100A， 脉宽几皮秒的50M ev能量电子束在典型摆动器中将产生1W 量级峰值自发辐射功率。在磁场的作用下， 电子受到一个作用力而偏离直线轨道， 并产生周期性聚合和发散作用。这相当于一个电偶极子， 在满足共振关系的情况下电子的横向振荡与散射光场相互耦合， 产生了作用在电子上的纵向周期力——有质动力。在有质动力的作用下， 电子束的纵向密度分布受到调制。于是， 电子束被捕获和轴向群聚。这种群聚后的电子束与腔内光场(辐射场)进一步相互作用， 会产生受激散射光， 使光场能量增加， 得到具有相干性的激光。这是通过自发辐射光子和电子相互作用的反馈机制， 把自发辐射转换成窄带相干辐射。而且此辐射电磁波在电子运动的方向上强度最大。因此， 摆动器促成了自由电子激光器中电子和光子间的相互作用。在电子通过摆动器后， 利用弯曲磁铁把电子和光分离。

       凡是能使自由电子产生自发辐射的各种机理几乎都可以产生受激辐射， 如受激康普顿辐射、受激韧致辐射、受激切伦柯夫辐射、受激喇曼散射、受激电磁冲击辐射等等。因此， 相对应有康普顿激光器、磁韧致激光器、切伦柯夫激光器、喇曼激光器等等。

       以磁韧致激光器为例，磁韧致激光器的工作原理是基于康普顿散射效应和磁韧致辐射效应。被加速的电子通过周期性磁场时，因受磁场作用产生磁韧致辐射效应而激励电磁波。按洛伦兹变换，周期横向磁场变成既有磁场又有电场的电磁波。该磁场对电子的作用就象迎面而来的入射光波一样可以产生康普顿散射，从而诱发受激辐射。在这个过程中，电子释放的光能大部分被磁场中别处的电子所吸引。但只有波长λ满足λ= λq /2γ2的光才被放大。受激康普顿散射才是激光。要产生受激康普顿散射，必须使高能电子与电磁波( 光子)发生作用。
 
       根据理论计算，磁韧致辐射产生的电磁波其强度可以相当大， 其频率可以很高。放大后的光辐射被限制在光学谐振腔内，被两块彼此相对的反射镜来回反射，其往返与脉冲电子束同步，且通过波荡器调节镜子间隔而产生相干振荡.这个电磁波(光子)作为入射激励波再与新的电子束混合放大，使光辐射得到进一步相干放大，而输出高功率的激光脉冲。因此，当一束高能电子注通过周期横向静磁场时，可以获得强大的激光输出。在振荡场合下， 光学谐振腔是一个重要的部件。光学谐振腔要求有宽通带特性，以适应在较宽的波长范围内工作；光损耗要尽可能减小，以便于起振。在低增益系统中，光学谐振作用是提供反馈和为合适性能所需的光学模式提供选择。高增益自由电子激光器则往往不需用光学谐振腔就以产生自放大的自发辐射。可见，自由电子激光器的发展， 可以说是同步辐射和受激辐射的巧妙结合。它消除了同步辐射所带来的非单色性和非相干性的缺陷。

       控制系统是整个自由电子激光器各部分协调运转的关键所在，对能否出光起着决定性的作用。它主要由控制台和触发系统两大部分组成。自由电子激光器的波长决定于电子束的速度、电子能量、磁摆动的周期。因此，通过调节加速电子的能量或者外设电磁场的强度，很容易改变辐射光的波长，以实现大范围的调谐。现有的大多数自由电子激光器产生的辐射都由短脉冲组成，自由电子激光器有可能产生脉宽仅几个飞秒的超短脉冲，单脉冲能量达到毫焦耳量级。

       目前对X射线自由电子激光装置的科学需求十分强烈，对于建设高亮度多用户的新装置存在普遍的呼声和期待。除已经建成的美国、欧洲和日本的大型自由电子激光装置以外，意大利、美国、韩国和瑞士等国家也在建设软X射线到硬X射线的新用户装置。