1993年 北京自由电子激光装置获红外线自由激光

1993年5月26日，经过六年艰苦卓绝的工作，由中国科学院高能物理研究所、原子能科学研究院、中国科学院上海光学精密机械研究所和中国科学院上海原子核研究所（现中国科学院上海应用物理研究所）等承担的国家“863计划”高技术项目“北京自由电子激光装置”（BFEL），成功实现红外自由电子激光受激振荡，并于12月28日凌晨顺利实现饱和振荡。这项工作获1994年中国科学院科学技术进步奖特等奖、1995年国家科学技术进步奖二等奖。

发现新光源

自从1960年第一台激光器问世以来，人们一直在寻找一种新光源，这种光源能够填补远红外和X射线两个缺少合适激光光源的空白谱区，可以作为探测工具应用在材料科学、生物医学、激光化学、凝聚态物理等领域的科学研究中。1971年，J.M.        J.梅迪博士完成了相对论电子通过波荡器产生高功率相干辐射的理论研究，自由电子激光（free  electron   laser，FEL）于是得以命名。6年后，梅迪和他的同事利用斯坦福大学的加速器和波荡器实现了波长为3.4微米的自由电子激光振荡实验。

自由电子激光与常规激光各有不同的工作机制。常规激光利用束缚于原子内的外层电子在不同能级之间的跃迁发光，来实现光能的相干受激增长。自由电子激光也利用电子发光，但是发光的电子不受原子核束缚，它们在穿越电磁场空间时会发出同步辐射，当这些同步辐射与成束的、沿同一方向飞行的自由电子发生互相作用时，最终也产生光能的相干受激增长。在常规激光中，电子能量受量子化限制，电子跃迁的能级以及能级间隔是固定不变的，所以相应激光的“颜色”是不能连续可调的。在自由电子激光中，电子能量不受量子化限制，能级观念不再生效。自由电子激光的“自由”表现在可以通过调节各种参数连续地改变激光的“颜色”。进一步地，利用自由电子激光原理可以产生从太赫（波长300微米）到硬X射线（波长0.05纳米）的广谱激光。

就目前技术而言，所有常规激光加起来能够覆盖从中红外（波长20微米）到近紫外（波长200纳米）以内的谱区，它们在结构小型化方面更具优势。

FEL以相对论电子束为能量转换介质，除了波长连续可调，还具有高功率的特点，它在“星战计划”中曾被列为激光武器的备选装置。此外，FEL在工业制造、核废料处理、通信技术、成像技术等方面也有潜在的应用价值。就FEL自身发展而言，如能将激光波荡器技术推向实用，就有望产生γ射线激光，γ射线激光将为我们打开通往奇妙核世界的大门。

在探索中前行

1986年，在王大珩、王淦昌等前辈科学家的提议下，国务院启动了“高技术研究发展计划”（“863计划”）。1987年，由谢家麟院士组织申请的“北京自由电子激光装置”通过了“863计划”的立项，项目承担单位为中国科学院高能物理研究所，合作单位包括原子能科学研究院、中国科学院上海光学精密机械研究所和上海原子核研究所（现中国科学院上海应用物理研究所）。项目归属“863计划”高技术激光领域的主题专家组，专家组的首席科学家是杜祥琬院士。

FEL是一台综合性很强的科研实验装置，它对加速器技术和红外光学技术提出了挑战。北京自由电子激光装置（BFEL）有四大关键部件：高功率宽脉冲速调管调制器、以微波电子枪为核心的电子束注入器、钕铁硼永磁波荡器和五维精确调节光学腔。其他子系统包括微波系统、加速器控制系统、束流测量系统、束流传输系统、机械真空水冷系统、光束传输系统、光学诊断系统。FEL实验要求所有子系统都必须工作在正常状态，所有关键部件在运行时都必须严格达到设计指标。

自从开展工作之后，课题组每前进一步都会遇到各种困难。首先遇到的困难是研究经费短缺，对此课题负责人采取了两方面对策：第一，合理分配经费的使用，做到“好钢用在刀刃上”；第二，节约仪器设备的添置，因陋就简，尽量节省零部件加工成本。随后遇到的困难是机械加工进度缓慢。由于许多零部件的设计都是非标的，而且在工艺上还有许多特殊要求，这给加工方按时交件带来难度，通常一套零件在安装前后要几经反复才能通过验收。这一困难给装置的整体组装带来的影响是全方位的，它使得计划中要达到的目标一再被延迟。

▲BFEL加速器总体

真正的拦路石还是出现在技术攻关的道路上。BFEL虽是一项“技术跟踪”性质的研究，但是国际上成功的例子还很稀少，可资借鉴的经验尚难以搜求。以微波电子枪为例，这种新型电子枪的实验应用只有一个成例，为了攻克难题，谢家麟院士将三位博士生的研究课题集中在与此相关的方向上。由于三维微波计算技术在当时尚未发展成熟，在制作一个实用腔体之前，必须制作出几种模型腔体，并且要在模型腔体上获取全部的测试数据，随后要根据这些数据对实用腔体的设计加以修改。这项工作不但需要细心和恒心的投入，还要求设计者能够随时积累经验，将理论运用到实践当中。当实用腔体成功装线时，又发现工作点出现了偏差，为找到合适的工作点，必须通过反复的实验以确定所有参数。除此以外，阴极发射体的制备也给微波电子枪的研制设置了障碍，它使得微波电子枪无法正常出束。研究小组历经两年的探索终于找到一种成熟的方法，根除了热子短路、阴极脱落、发射不足、电流不稳等不利现象。国内第一台微波电子枪研制的成功，为BFEL出光提供了种子。

▲BFEL束流诊断系统

1991年，课题组完成了BFEL的整体装配，项目进入联机调试阶段。然而，在实验中却发现系统稳定性不高、电子束传输困难、电磁干扰过大、部分设备老化过快等问题。经过几个月的努力，情况有所好转，只是依然无法捕捉到自发辐射信号。这个时候，“863计划”高技术专题负责人接到一个投诉，该投诉认为BFEL选择的技术路线是不成熟的，因而是错误的，应该中断对它的支持。

正当课题组进退维谷之际，郑志鹏所长来到实验室了解工作进展以及存在的问题。“自由电子激光，困难有希望”，所长的赠语给全体成员留下深刻印象。

第一束光的诞生

1992年，从事BFEL研究的两个研究室（加速器和光学）合并为一体，郑所长任命庄杰佳教授为新研究室的主任。主任要求大家全力以赴投入出光实验，为此在全室范围内选拔出一批青年技术骨干组成运行值班组，其他人员负责为机器正常运行提供保障。

运行值班的工作是枯燥的，它要求值班人员反复调节各种参数，通过仔细观察、鉴别、分析各种来源的信号作出准确的判断，一步一步地找到机器的最佳工作状态。在电子束首次抵达装置终端的时刻，第一个自发辐射信号终于被发现了，这只是实现出光的第一步。

实现受激辐射振荡需要最大限度地满足同步辐射光与电子束在多次循环中保持时空交叠这一必要条件，为做到这一点，必须从驱动电子束的微波功率入手，尽可能地提高微波相位的均匀性。然而，要改善微波功率源的工作状态，就需要有人在电磁辐射的环境下，以微波相位的波形为判据，动态调节高压调制器的分布电感，而调节结果有可能不可逆地变差。这是一项有风险的工作，它不但要求操作者克服心理障碍控制好手感，还需要有足够的经验以作出准确的预判。老职工林绍波挺身承担起这一任务，他穿上胶鞋，戴上胶皮手套站立在高台上，在隆隆机声中，小心翼翼地将绝缘调节杆深深插入在强电中工作的电感线圈……经过一周的实验，微波功率源被驯服了，满足出光条件的工作状态被找到了。

▲1993年7月谢家麟教授在BFEL装置鉴定会上做报告

新一轮实验显然更加艰难，它需要交替调节加速器和光学器件，以获得幅度最高并且脉冲最宽的光信号，而一些微小的不稳定现象足以使已达到的状态无法恢复，许多操作不得不从头起步。在失败面前，值班组从未产生放弃的念头，他们相信那只是黎明前的黑暗。闪烁了三个日夜的荧屏，只能显示呆滞的自发辐射信号。在看似徒劳的重复的调节过程中，值班人员下意识地转动某个旋钮，随后发现原本稳定的信号突然发生剧烈的抖动，抖动幅度从几倍迅速攀升到几千倍—是仪器的问题吗？只需稍稍改变调谐即可恢复常态，这正是受激辐射的特征。这是亚洲第一束自由电子激光，这一天是1993年      暮春。

受激辐射信号是FEL实验的路标，沿着这个路标可以实现参数的优化，同时可以改进装置工作的稳定性。在实验结果的引导下，课题组全面展开改进提高机器性能的工作。1993年年底，BFEL可以稳定地输出饱和的激光信号了。

▲BFEL饱和输出强度的空间分布

实现饱和受激辐射振荡是FEL研究的最终目标，达到这个目标意味着课题组圆满完成了任务。1993年，BFEL被评为我国科技界十大新闻之一和“电子工业部十大科技成果”。1994年，BFEL通过了“863计划”的高技术的鉴定，同年中国科学院授予此项工作科学技术进步奖特等奖，1995年又获得国家科学技术进步奖二等奖。1997年，第19届自由电子激光国际会议在北京召开，谢家麟院士受聘为大会主席，我国的自由电子激光研究终于跻身世界前列。

BFEL以其艰难的攻关历程培养出许多专业人才，十几年来共有20多位青年人从这里起步走向世界各个科研单位。在技术创新方面，BFEL第一个将钕铁硼材料的波荡器用于FEL实验，此类波荡器现在可见于许多FEL装置上。值得一提的是，在组成BFEL的所有硬件中，占据经费投入90％以上的部分都是国产的，这一成就获得日本同行的赞誉。BFEL的成功表明：所有高技术的研究都建立在成熟的常规技术的基础上，只要不断地提高常规技术的水平，依靠我国自身的加工制造和科研创新能力，就能跟上高技术前沿研究的步伐。

▲北京自由电子激光出光后，王淦昌院士来访BFEL实验室，与部分工作人员合影（第一排左起第二位是庄杰佳研究员，第四位是谢家麟院士，第五位是王淦昌院士）

再现辉煌

红外FEL具有脉冲功率高、波长大范围连续可调等特点，因此在红外光学的应用研究中，可用作不可替代的光源。1997年以来，在来自各方面的支持和鼓励下，BFEL开始向制造用户装置的方向迈进。经过几年的努力，机器稳定性获得进一步提高，用户界面得到改善。2000—2003年，BFEL每年可为用户提供1000小时的实验用光，在此期间，已发表20多篇研究论文。

▲BFEL搬迁后测得的饱和信号波形，脉冲平顶宽度2微秒，大于搬迁前的1.6微秒

▲BFEL新控制室

2004年，BFEL根据中国科学院“一所一址”的办所方针，开始了从中关村应用部到高能物理研究所本部的搬迁工程。这次搬迁要将机器拆散重新组装并且恢复出光，无疑具有较高的难度，它在国内尚属首例。课题组在人员短缺、设备老化、经费不足的情况下克服了许多技术困难，经过三年多的努力，终于在2007年年底再次实现了饱和出光。BFEL已基本完成恢复出光并达到搬迁前运行指标的任务，2008年8月，项目通过了工程验收。

BFEL的成功搬迁，使课题组通过了考验，并为国内自由电子激光实验技术的研究积累了宝贵经验。1994—2009年的15年间，BFEL一直是国内唯一能够稳定地实现饱和受激辐射振荡的自由电子激光装置。

（图文/中国科学院高能物理研究所）