一、前言

自由電子激光（FEL）是基于真空中自由電子產(chǎn)生的輻射激光

，與傳統(tǒng)激光最主要的區(qū)別在于：輻射波長不依賴于受激介質(zhì)，僅與電子束的能量和波蕩器（用于輻射的周期性磁場）有關(guān)。FEL 具有波長完全可調(diào)諧的特點，可以獲得其他激光器不能實現(xiàn)的波段，相應(yīng)波長可覆蓋從太赫茲至硬 X 射線甚至

射線的范圍。其中，太赫茲、紅外、極紫外、X 射線波長范圍內(nèi)的 FEL 分別稱為 THz-FEL、IR-FEL、EUV-FEL、XFEL。當(dāng)前，F(xiàn)EL 廣泛應(yīng)用于凝聚態(tài)物理、先進(jìn)材料與表面物理、原子分子物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)科學(xué)研究，推動了戰(zhàn)略安全、航空航天、能源環(huán)境、醫(yī)藥、化工、高端制造等領(lǐng)域的重大技術(shù)革新。

自 1971 年首次提出 FEL 原理

[2]

以來，世界上建成了 50 多臺 FEL 裝置，還有超過 20 臺的在建或擬建裝置?？萍紡妵叨戎匾?FEL 的發(fā)展，投入重大資源予以保障。尤其是作為新一代探針光的XFEL [3,4]，使得人類能夠首次深入物質(zhì)內(nèi)部來實時觀測原子和分子的納米、微米尺度的演化圖像，進(jìn)而操控電子、分子、原子甚至原子核的狀態(tài)。這類新型裝置促進(jìn)科學(xué)研究方法和模式革新，有望開辟新的科學(xué)前沿來引發(fā)科技和產(chǎn)業(yè)革命。例如，利用XFEL 診斷核材料及其合金、含能材料在分子 / 原子層面的時間演化行為，核金屬或其合金在高能量密度狀態(tài)下的超快動力學(xué)行為等。美國建設(shè)的國際上首個 XFEL 裝置（LCLS），主要科學(xué)目標(biāo)即為服務(wù)于核物理相關(guān)的材料科學(xué)研究和高能量密度物理研究

[5]

。相關(guān) FEL 技術(shù)也是我國亟待發(fā)展的方向

[6]

本文梳理了 FEL 技術(shù)發(fā)展的必要性，總結(jié)了現(xiàn)階段國內(nèi)外 FEL 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在凝練我國面臨技術(shù)差距的基礎(chǔ)上提出了我國 FEL 技術(shù)的重點發(fā)展方向，以期為相關(guān)領(lǐng)域的規(guī)劃發(fā)展提供參考。

二、自由電子激光的需求分析

FEL 裝置主要包括加速器、波蕩器和光束線系統(tǒng)三部分（見圖 1），基于加速器產(chǎn)生的相對論電子束，通過波蕩器的周期性磁場產(chǎn)生以受激輻射方式放大的相干輻射。按照放大增益的不同，F(xiàn)EL 主要分為低增益和高增益兩種機制，其優(yōu)點為：波長任意可調(diào)，在理論上不受限制，通過調(diào)節(jié)電子束能量和波蕩器磁場來改變輻射波長；光束質(zhì)量好，F(xiàn)EL 輻射在橫向是全相干，在縱向是部分相干甚至全相干，具有很好的偏振性；峰值和平均功率高，工作環(huán)境為真空，不存在熱處理問題，理論上不存在絕對上限。因此，作為21世紀(jì)最先進(jìn)的光源之一，F(xiàn)EL 主要用于產(chǎn)生其他光源不易產(chǎn)生的激光波長、高峰值功率和高平均功率的激光。

圖 1

FEL 裝置基本原理

（一）輻射頻率的需求

在光譜方面，仍存在著許多傳統(tǒng)激光器不易產(chǎn)生或功率不夠的區(qū)域，如處于微波與紅外之間的太赫茲波、短波 X 射線甚至射線等，亟需高性能的光源。FEL 裝置是在這些頻域內(nèi)唯一能實現(xiàn)頻譜全覆蓋且提供高功率激光的裝置，應(yīng)用前景廣闊，也是光子科學(xué)諸多跨學(xué)科應(yīng)用的關(guān)鍵支撐。

（二）輻射功率的需求

FEL 裝置可提供峰值功率超過 1 GW、平均功率大于 1 kW 的高亮度激光，適應(yīng)民用工業(yè)和國防安全領(lǐng)域的重大應(yīng)用需求。極紫外（EUV）光刻技術(shù)是芯片制造行業(yè)的最前沿技術(shù)，需要功率為千瓦級的新型光源，而傳統(tǒng)的激光等離子體（LPP）光源技術(shù)發(fā)展緩慢。FEL 具有波長可設(shè)計、理論功率極大的特征，利用 FEL 原理可以產(chǎn)生波長為13.5 nm 的 EUV 光源。國際半導(dǎo)體企業(yè)紛紛提出了采用 FEL 作為 EUV 光源的先進(jìn)技術(shù)方案。

三、國外自由電子激光技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

（一）長波波段自由電子激光

長波波段 FEL 主要延續(xù)低增益諧振腔技術(shù)路線，具有波長可變、功率較高的特點，被視為激光武器的一種理想形態(tài)，早期的研究高峰期是 20 世紀(jì) 80 年代。由于 FEL 裝置系統(tǒng)過于復(fù)雜、技術(shù)難度過大，未能形成相應(yīng)技術(shù)裝備。在武器應(yīng)用背景逐漸淡出之后，長波波段 FEL 的科研引領(lǐng)作用開始逐步凸顯，國際上很多裝置開始轉(zhuǎn)為利用 FEL 強大功能開展前沿科學(xué)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化的研究（見表 1）。

表 1

國際上具有代表性的長波波段 FEL 裝置

美國杰斐遜實驗室 JLab IR 裝置

[7]

起初是作為激光武器研究發(fā)展起來的 FEL 裝置，也是全球第一臺平均功率超過 10 kW 的激光器。荷蘭 FELIX 裝置的建設(shè)目標(biāo)集中在科學(xué)研究領(lǐng)域，是目前全球覆蓋范圍最廣的用戶裝置。俄羅斯 NovoFEL 裝置采用低頻常溫加速器路線導(dǎo)致體積巨大，但成為目前平均功率最高的運行裝置

[8]

。德國 FELBE 裝置

[9]

是全球長波 FEL 方面性能最完善、用戶實驗站數(shù)量最多、機時最寶貴、科研產(chǎn)出最高的裝置，也是第一臺基于超導(dǎo)加速器的 THz-FEL 裝置。圍繞 FELBE 裝置開展的應(yīng)用，每年發(fā)表論文超過100 篇（包括《科學(xué)》《自然》等期刊論文）。

（二）X 射線自由電子激光

基于高增益單次放大的 XFEL 是 20 世紀(jì)末期發(fā)展起來的新技術(shù)（被稱為“四代光源”），受到國際廣泛關(guān)注。主要發(fā)達(dá)國家都已建成或在建 XFEL 光源以保障重大科研和國家安全方面的需求（見表 2）。

表 2

國際上具有代表性的 XFEL 裝置

美國在 XFEL 領(lǐng)域具有技術(shù)優(yōu)勢，能源部（DOE）組織完成了數(shù)十次研討會，對國家安全、能源安全、前沿科學(xué)領(lǐng)域的需求進(jìn)行了梳理總結(jié)。以此為指導(dǎo)，美國在 2009 年建成全球首臺 XFEL 裝置（LCLS）的同時，部署了 LCLS-II、極端條件下物質(zhì)與輻射相互作用（MaRIE）的建設(shè)規(guī)劃，形成全域布局的 XFEL 能力體系。LCLS-II 作為 LCLS 的升級計劃，旨在面向更加寬泛的前沿科學(xué)研究需求

[5]

。MaRIE 計劃主要面向極端條件下的材料科學(xué)研究，用于解決核裝置、能源安全、前沿科學(xué)領(lǐng)域的國家安全研究需求（如核裝置壽命延長等）。

以德國和俄羅斯為主，包括英國、法國、瑞士等在內(nèi)的多國聯(lián)合開展了 European XFEL 裝置建設(shè)

[10]

。作為世界上第一臺基于超導(dǎo)加速器的高重頻 XFEL 裝置，European XFEL 的性能指標(biāo)引領(lǐng)未來 10 年發(fā)展，配置了多種極端條件加載裝置和與之配套的診斷技術(shù)，成為大國競相利用的優(yōu)勢科技資源。美國的核技術(shù)實驗室也在聯(lián)合申請成為高能密度實驗站（HED）的用戶。

此外，瑞士根據(jù)本國在生物、醫(yī)藥、納米材料等領(lǐng)域的研究需求，獨立建設(shè)了 SwissFEL 裝置

[11]

；日本、韓國也分別建設(shè)了 XFEL 裝置 [12,13]。

（三）新型自由電子激光

除了傳統(tǒng)的基于靜磁波蕩器的XFEL裝置以外，基于光學(xué)波蕩器的新型小型化 XFEL 光源技術(shù)成為研究熱點。相關(guān)思路早在 20 世紀(jì)七八十年代便已提出，但受限于當(dāng)時的技術(shù)水平而難以實現(xiàn)。近年來，激光技術(shù)的蓬勃發(fā)展為實現(xiàn)低成本、緊湊型的 XFEL 提供了新的機遇?；诠鈱W(xué)波蕩器的量子FEL 裝置，在輸出光子能量、光源相干度、帶寬等特性上突破了傳統(tǒng) XFEL 裝置的性能邊界，將成為XFEL 有益且有力的技術(shù)補充。

四、我國自由電子激光技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）取得的成就

我國 FEL 技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了從國防需求牽引向科學(xué)研究應(yīng)用的轉(zhuǎn)換過程。我國在 FEL 領(lǐng)域的理論與實驗研究始于 20 世紀(jì) 80 年代，早期代表性的工作有：拉曼型 FEL 出光（1985 年），波蕩器自發(fā)輻射（1986 年），諧振腔型技術(shù)路線和放大器型技術(shù)路線的 FEL 出光（1993 年）。2000 年以來，受到光子科學(xué)對光源裝置的需求牽引，國內(nèi)新增建設(shè)了一批 FEL 光源裝置（見表 3）。

表 3

我國主要的 FEL 裝置

在低增益諧振腔型長波 FEL 光源方面，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室（NSRL）主要開展振蕩器 FEL 的相關(guān)理論和實驗研究，現(xiàn)階段重點進(jìn)行“基于可調(diào)諧紅外激光的能源化學(xué)研究大型實驗裝置”國家重大科研儀器研制項目的研究，后續(xù)將建設(shè)覆蓋中紅外到遠(yuǎn)紅外波長范圍的可調(diào)諧紅外光源（FELiChEM）

[14]

。華中科技大學(xué)重點開展振蕩器 THz-FEL 裝置研究。中國工程物理研究院開展了系列化的振蕩器 FEL 理論與實驗研究，2005 年實現(xiàn)了能量為 30 MeV、遠(yuǎn)紅外 / 太赫茲 FRL（FIR-FEL）的實驗出光

[15]

；2017 年建成了我國唯一的基于超導(dǎo)加速器的高平均功率 THz-FEL 裝置（CTFEL）

[16]

在高增益短波長 FEL 光源方面，我國 2000 年前后開始發(fā)展，已建成的裝置覆蓋了從紫外到軟 X 射線波段。2009 年，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所建成了我國首個高增益 FEL 綜合研究平臺 ——上海深紫外自由電子激光裝置（SDUV-FEL）

[17]

。2016 年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所建成的“基于可調(diào)極紫外相干光源的綜合實驗研究裝置”實現(xiàn)出光

[18]

。上海應(yīng)用物理研究所和北京大學(xué)承擔(dān)的軟 X 射線 FEL 項目于 2014 年啟動，建設(shè)波長為 8.8 nm、光子能量為 0.14 keV 的 FEL 裝置，2020 年 1 月實現(xiàn)了全相干 FEL 輸出

[19]

在 FEL 裝置的建設(shè)規(guī)劃方面，中國工程物理研究院正在開展長波長的西部光源項目論證；大連化學(xué)物理研究所擬建設(shè)基于超導(dǎo)加速器的連續(xù) EUV-FEL 裝置。上?？萍即髮W(xué)和中國科學(xué)院上海高等研究院正在建造我國首臺硬 X 射線 FEL 裝置，配置了能量為 8 GeV 的高品質(zhì)電子束連續(xù)波超導(dǎo)直線加速器，輻射波長能量為 0.4~25 keV，X 光脈沖最高重復(fù)頻率可達(dá) 1 MHz，對促進(jìn)我國光子科學(xué)的發(fā)展具有重要的意義

[20]

（二）面臨的問題

1. 戰(zhàn)略目標(biāo)待確立

發(fā)展 FEL 裝置的目的在于建設(shè)傳統(tǒng)激光器所不易產(chǎn)生或功率不夠的新型光源裝置；而作為大型科研裝置，F(xiàn)EL 裝置將是一個城市甚至一個地區(qū)的科研創(chuàng)新名片。我國在相關(guān)領(lǐng)域的宏觀戰(zhàn)略規(guī)劃不夠清晰，不利于發(fā)揮大型裝置的集群效應(yīng)和示范效應(yīng)，對相應(yīng)地區(qū)的科研布局和創(chuàng)新發(fā)展?fàn)恳粔颉?/p>

2. 關(guān)鍵部件技術(shù)待突破

FEL 的諸多理論技術(shù)需要探索，與工程應(yīng)用密切相關(guān)的關(guān)鍵部件國產(chǎn)化研制仍有待突破，包括：加速器與波蕩器物理設(shè)計與關(guān)鍵問題，高重頻高亮度光陰極電子槍，超導(dǎo)加速、射頻低電平控制、飛秒同步、高重頻束測、超導(dǎo)波蕩器、光束線等技術(shù)，用戶實驗站系統(tǒng)等。

3. 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用待拓展

現(xiàn)階段的 FEL 應(yīng)用集中在科研探索方面，相關(guān)裝置的投資建設(shè)主要是國家大型科研設(shè)備資助渠道。工業(yè)應(yīng)用類別有限、“產(chǎn)學(xué)研”有所割裂的現(xiàn)狀，制約了未來 FEL 技術(shù)與應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，這就使得拓展 FEL 的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用成為領(lǐng)域發(fā)展亟需。

五、我國自由電子激光技術(shù)發(fā)展思路

（一）發(fā)展目標(biāo)

以滿足國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的自主可控戰(zhàn)略需求為根本出發(fā)點，圍繞 FEL 在前沿基礎(chǔ)科學(xué)、能源安全和國防安全等領(lǐng)域的技術(shù)需求，提出關(guān)鍵技術(shù)自主突破和核心部件國產(chǎn)化的發(fā)展目標(biāo)。通過政策引導(dǎo)、強化創(chuàng)新、應(yīng)用融合等手段，建設(shè)更高功率、更短波長的 FEL 光源，在保障重大科研需求的基礎(chǔ)上拓展實施規(guī)?；墓I(yè)應(yīng)用。參與全球科技競爭并建立相對技術(shù)優(yōu)勢，推動以 FEL 光刻應(yīng)用為代表的高端工業(yè)應(yīng)用。

（二）發(fā)展路徑

1. 長波波段自由電子激光技術(shù)

研究提出

[21]

：生物神經(jīng)信號的物理場應(yīng)為太赫茲到紅外的高頻電磁場，最可能頻率范圍應(yīng)在太赫茲到百太赫茲；可以把 0.5~100 THz 的電磁波稱為太赫茲電磁波，把有關(guān)研究可稱為太赫茲生物學(xué)。除了生物學(xué)之外，其他領(lǐng)域?qū)ο嚓P(guān)頻段的光源需求也很迫切，但在該頻段缺乏高平均功率且頻率可調(diào)的光源。

構(gòu)建覆蓋整個紅外太赫茲頻段的高平均功率可調(diào)諧 FEL 光源，對于前沿科學(xué)研究具有重大意義。以紅外太赫茲 FEL 科學(xué)裝置為依托，構(gòu)建集成強太赫茲光輻照、強磁場、低溫、高壓等極端外場和實驗條件、與先進(jìn)測量技術(shù)相結(jié)合的綜合性平臺。相關(guān)平臺用于支撐凝聚態(tài)物理、新材料、先進(jìn)光學(xué)、光電子學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、水科學(xué)等前沿?zé)狳c研究，以國家科研需求為導(dǎo)向，在應(yīng)用領(lǐng)域拓展后支持開展多學(xué)科、多領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用。

2. X 射線自由電子激光技術(shù)

根據(jù)國際 XFEL 裝置的發(fā)展趨勢，提出比國際上已建和待建 XFEL 裝置更加先進(jìn)的發(fā)展目標(biāo)（與美國 MaRIE 規(guī)劃相當(dāng)），適時開展我國高重頻、高光子能量 XFEL 裝置建設(shè)。匹配國家戰(zhàn)略安全、航空航天、能源技術(shù)等領(lǐng)域涉及的極端條件材料性能研究需求，規(guī)劃新一代 XFEL 裝置，科學(xué)配置實驗線站，提供與多領(lǐng)域研究需求相配套的診斷技術(shù)。

3. 新型自由電子激光技術(shù)

當(dāng)前，國際上量子 FEL 技術(shù)仍處于原理驗證和探索研究階段

[22]

，但在裝置規(guī)模、建設(shè)成本等方面具有潛在優(yōu)勢，可以采用這一技術(shù)路線來構(gòu)建實驗室規(guī)模的小型硬 X 射線相干光源，用于支持科研院所和高等院校的科學(xué)研究需求。我國適時開展量子 FEL 技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃，注重理論研究并配套驗證實驗，在與國際量子 FEL 研究“同臺競技”的同時，逐步滿足國內(nèi)日益增長的高性能 X 射線源的應(yīng)用需求。

4. 基于 FEL 的 EUV 光刻光源技術(shù)

FEL 的工業(yè)應(yīng)用是其主要發(fā)展方向之一，特別是作為 EUV 光刻光源

[23]

。荷蘭阿斯麥爾公司（ASML）、日本 EUV-FEL 光源產(chǎn)業(yè)化研究會、美國格羅方德半導(dǎo)體股份有限公司（Global Foundries）等企業(yè)積極關(guān)注 EUV-FEL 光刻技術(shù)，認(rèn)為將是光刻在 3 nm 節(jié)點之后的重要技術(shù)路線。

在新時期對關(guān)系國計民生的關(guān)鍵技術(shù)全面“自主可控”的強烈需求下，EUV 光刻技術(shù)將是我國亟待解決的“卡脖子”技術(shù)之一，也是我國未來芯片發(fā)展的重要基礎(chǔ)。按照關(guān)鍵技術(shù)驗證、原理樣機研制、產(chǎn)業(yè)化布局的“三步走”路線，規(guī)劃我國EUV-FEL 發(fā)展路線，推動 EUV-FEL 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

六、對策建議

（一）科學(xué)制定發(fā)展戰(zhàn)略，保障科研攻關(guān)實施

我國 FEL 技術(shù)研究處于蓬勃發(fā)展時期，相關(guān)機構(gòu)提出了多個 FEL 裝置的建設(shè)意向。建議提前論證和制定較為詳盡的發(fā)展策略與研發(fā)目標(biāo)，注重需求牽引、突出應(yīng)用導(dǎo)向，通過科學(xué)的規(guī)劃布局來推動 FEL 領(lǐng)域的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。FEL 裝置屬于大型科研裝置，應(yīng)注重強強聯(lián)合、加強組織管理，保證建設(shè)項目按質(zhì)按期完成并發(fā)揮預(yù)期的關(guān)鍵作用。

（二）加強基礎(chǔ)投入，提高自主創(chuàng)新水平

FEL 技術(shù)屬于科技基礎(chǔ)研究，裝置系統(tǒng)復(fù)雜、投資大、周期長。建議政府保障FEL科研資源投入，通過項目建設(shè)和裝置運行的牽引，引導(dǎo)相關(guān)行業(yè)和企業(yè)、科研院所、高等院校的探索創(chuàng)新與應(yīng)用研究方向。同時，通過各類基金的定向資助，推動關(guān)鍵部件的全面國產(chǎn)化；鼓勵領(lǐng)域科研創(chuàng)新和新原理新技術(shù)的出現(xiàn)，突破 FEL 裝置小型化和輕量化技術(shù)，促進(jìn) FEL 技術(shù)及其應(yīng)用的健康發(fā)展。

（三）加強多方合作，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化

FEL 裝置涉及多個領(lǐng)域，國際上 FEL 建設(shè)較多采用多方合作的形式：項目實施由牽頭機構(gòu)總負(fù)責(zé)、多家科研機構(gòu)共同參與，相關(guān)設(shè)備由科研機構(gòu)研發(fā)、企業(yè)協(xié)作制造。這種方式有利于整合科技研發(fā)力量協(xié)同開展技術(shù)攻關(guān)，同時充分發(fā)揮優(yōu)勢企業(yè)的加工制造能力，在裝置建設(shè)過程中實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)化。建議在我國 FEL 領(lǐng)域加強行業(yè)間的技術(shù)合作，切實推動科研機構(gòu)與優(yōu)勢企業(yè)的分工合作，通過“產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合來促進(jìn) FEL 領(lǐng)域的綜合發(fā)展。

（四）促進(jìn)研究與應(yīng)用結(jié)合，推動市場應(yīng)用

工業(yè)應(yīng)用是 FEL 技術(shù)發(fā)展的重要方向，建議將以 EUV 光刻光源為引領(lǐng)來實現(xiàn) FEL 技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化作為示范項目。通過項目實施，消除“產(chǎn)學(xué)研”脫節(jié)現(xiàn)象，探索形成極具價值的產(chǎn)業(yè)化方案，為后續(xù)技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用積累經(jīng)驗、指明方向。加快 EUV 光刻光源技術(shù)方案與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的論證，鼓勵申請優(yōu)質(zhì)專利并加強知識產(chǎn)權(quán)管理。引入企業(yè)力量建立樣機研制平臺，推動 FEL 產(chǎn)業(yè)的市場示范應(yīng)用與規(guī)?；l(fā)展。

（五）營造文化氛圍，加強人才隊伍培養(yǎng)

支持和鼓勵科研機構(gòu)參與國際科技合作計劃、國際大科學(xué)計劃和大科學(xué)工程，承擔(dān)或組織國際重大科技合作項目。引導(dǎo)有條件的高等院校和科研院所建立專業(yè)化、市場化的技術(shù)轉(zhuǎn)移機構(gòu)，注重科技成果發(fā)布。培養(yǎng)一批高層次領(lǐng)軍人才和骨干專業(yè)技術(shù)人才，加快推進(jìn) FEL 相關(guān)學(xué)科的人才發(fā)展和機制創(chuàng)新。加大高端人才引進(jìn)力度，開展國際性的 FEL 技術(shù)交流，全面提升人才隊伍建設(shè)與國際科技合作的質(zhì)量。