自由電子激光器是加速器和激光技術(shù)的組合。其主要技術(shù)組成是電子加速器、磁擺動(dòng)器(大多數(shù)自由電子激光器的研究都采用靜磁擺動(dòng)器)、光子光學(xué)系統(tǒng)和各種監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)。
自由電子激光器采用的是射頻直線加速器、電子儲(chǔ)存環(huán)、靜電加速器、感應(yīng)直線加速器等脈沖裝置。從加速器引出的高能電子束相當(dāng)于激光工作物質(zhì)， 因而電子束質(zhì)量的好壞直接影響著整個(gè)激光器性能。相對(duì)論電子束從激光共振腔的一端注入經(jīng)過(guò)擺動(dòng)器時(shí)， 受到空間周期性變化的橫向靜磁場(chǎng)作用。磁場(chǎng)由一組“擺動(dòng)器”或“波蕩器”的磁鐵產(chǎn)生。磁鐵以交替極性方式布置， 磁場(chǎng)為螺旋式或平面式。在該磁場(chǎng)作用下， 電子束在磁擺動(dòng)器中一邊前進(jìn)， 一邊有橫向擺動(dòng)。例如， 周期性磁場(chǎng)在水平面內(nèi)， 電子則周期性地上下擺動(dòng)。電子的橫向及運(yùn)動(dòng)方向的改變， 表明電子有加速度。根據(jù)電磁輻射理論， 電子有加速就必然會(huì)輻射電磁波。這種帶電粒子沿彎曲軌道運(yùn)動(dòng)而輻射電磁波， 被稱為同步輻射。同步輻射有一個(gè)比較寬的頻率輻射范圍， 但缺乏單色性和相干性。這種自發(fā)輻射一般不很強(qiáng)， 峰值電流100A， 脈寬幾皮秒的50M ev能量電子束在典型擺動(dòng)器中將產(chǎn)生1W 量級(jí)峰值自發(fā)輻射功率。
在磁場(chǎng)的作用下， 電子受到一個(gè)作用力而偏離直線軌道， 并產(chǎn)生周期性聚合和發(fā)散作用。這相當(dāng)于一個(gè)電偶極子， 在滿足共振關(guān)系的情況下電子的橫向振蕩與散射光場(chǎng)相互耦合， 產(chǎn)生了作用在電子上的縱向周期力——有質(zhì)動(dòng)力。在有質(zhì)動(dòng)力的作用下， 電子束的縱向密度分布受到調(diào)制。于是， 電子束被捕獲和軸向群聚。這種群聚后的電子束與腔內(nèi)光場(chǎng)(輻射場(chǎng))進(jìn)一步相互作用， 會(huì)產(chǎn)生受激散射光， 使光場(chǎng)能量增加， 得到具有相干性的激光。這是通過(guò)自發(fā)輻射光子和電子相互作用的反饋機(jī)制， 把自發(fā)輻射轉(zhuǎn)換成窄帶相干輻射。而且此輻射電磁波在電子運(yùn)動(dòng)的方向上強(qiáng)度最大。因此， 擺動(dòng)器促成了自由電子激光器中電子和光子間的相互作用。在電子通過(guò)擺動(dòng)器后， 利用彎曲磁鐵把電子和光分離。
凡是能使自由電子產(chǎn)生自發(fā)輻射的各種機(jī)理幾乎都可以產(chǎn)生受激輻射， 如受激康普頓輻射、受激韌致輻射、受激切倫柯夫輻射、受激喇曼散射、受激電磁沖擊輻射等等。因此， 相對(duì)應(yīng)有康普頓激光器、磁韌致激光器、切倫柯夫激光器、喇曼激光器等等。
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