基本介紹
利用泵浦場被相對論性電子束受激散射產生相干輻射的裝置。泵浦場可以是電磁波，也可以是空間周期性的橫向靜磁場或靜電場。由於經過兩次都卜勒頻移，相干輻射的波長比原來泵浦場的波長近似短一個αγ2的因子。λ埄λ0/αγ2，λ0為泵浦場的波長；γ為電子束的相對論性因子，
（c為光速,v為電子速度）。對於電磁波泵浦場，α為4,對於靜泵浦場,α為2。由於λ0和γ都可以改變，自由電子雷射器工作的波長範圍很寬，可以從遠紅外 （25微米以上）一直到真空紫外（0.2微米以下）。此外，由於散射過程直接將電子的動能轉換成輻射能，有可能達到較大的功率和較高的效率。自由電子雷射器同時具有這些優點的原因，在於它以自由電子進行工作，這與利用束縛電子在能級之間的躍遷來工作的普通雷射器有很大的不同。
自由電子雷射器通常由三部分組成：電子束源、泵浦場和光頻諧振腔。第一次成功的實驗是1977年在美國史丹福大學進行的，得到了波長為3.4微米的雷射,圖為其實驗裝置。自由電子雷射器的理論和實驗都還處於研究階段。一般認為，它在遠紅外和真空紫外這兩個光譜區是一種很有希望的可調大功率相干光源。
自由電子雷射器自由電子雷射器發明於1976年，發明者為史丹福大學的JohnMadey。其研究核心基於HansMotz的關於搖擺磁場構型的工作。Madey利用24MeV的電子束和5米長的搖擺器用於放大信號。不久之後，其他擁有加速器的實驗室也加入到這種雷射器的開發中來。
產生機制
為了產生自由電子雷射，一束電子被加速至接近光速（相對論速度）。之後，電子束通過由周期性橫向磁場（通過在光腔中設定與電子束行進方向成變化夾角的磁體產生）構成的自由電子振盪器。產生周期性磁場的磁體陣列又被稱為“波盪器(undulator)”或“搖擺體(wiggler)”，這是因為它們會作用於電子束使之形成正弦形狀的路徑。在此路徑上對電子進行加速會使之發射光子（同步輻射）。由於電子周期運動與已發射光場同相，得到的是相干疊加的光場，即自由電子雷射。所發射的光波長可以通過改變電子束能量或波盪器的磁場強度進行調節。
自由電子-內部結構模型圖
光子-內部結構模型圖