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自由電子雷射
台灣自主研發新一代光源—自由電子雷射
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2017/08/29
自由電子雷射設施與國家同步輻射研究中心研發團隊

        「自由電子雷射(Free Electron Laser, FEL)」是一種以高品質電子束作為介質,讓接近光速的電子束在周期性磁場中受到激發且放大電磁輻射的新型雷射光源。由於自由電子雷射同時具有極高的光亮度、超短的時間脈衝、極佳的同調性等優越特性,能夠觀測極小結構、捕捉瞬時變化且洞悉複雜機制,具有重大的科學應用價值。

        目前國家同步輻射研究中心正在自主研發自由電子雷射的關鍵技術,令人興奮的是在2017年7月20日,超過3仟萬電子伏特(30 MeV)能量的電子束,成功的發出了第一道兆赫茲(Terahertz, THz)的同調聚頻磁鐵輻射光。未來將進行參數優化,持續提高電子能量,朝著發射「真空紫外光自由電子雷射(VUV FEL)」與「極紫外光自由電子雷射(EUV FEL)」的目標邁進。然而波長越短、能量越高,所面臨的技術難度也越具挑戰性。

        自由電子雷射的關鍵技術在於設計「高亮度電子直線加速器系統」,來產生高品質的高能量電子束,並利用「束團壓縮技術」縮短電子束團長度達次皮秒(10-12 sec)等級。未來,國家同步輻射研究中心將持續研發與安裝「非線性束團壓縮器」,可望大幅縮短電子束團長度至數十飛秒(10-15 sec)等級。得益於興建台灣光子源(Taiwan Photon Source, TPS)所累積下來的人才與技術,新一代光源100%將由台灣自主設計與組裝。

        國家同步輻射研究中心現有的台灣光子源可產生廣域波段的光,涵蓋紅外光、可見光、紫外光及X光,以從事多樣性的實驗,最多可搭載超過40條光束線實驗站,同時服務不同實驗需求的用戶。而自由電子雷射的性能特色在於:擁有極高的光亮度、超短的時間脈衝、極佳的同調性,可用來探討不同的物理化學現象。由於兩個光源的優勢互補,未來科學研究團隊可視研究目的與需求選擇適合的光源進行實驗。

        目前美國、歐洲與日本已完成建造自由電子雷射設施,而瑞士、韓國與中國等也都陸續試俥及建造中,自由電子雷射與同步加速器光源同是未來科學研究最重要的光源,將為半導體、物理、化學、生物、醫學、能源、環境等研究領域,帶來重大契機。