我國自由電子雷射技術發展戰略研究

一、前言

自由電子雷射（FEL）是基於真空中自由電子產生的輻射雷射 [1]，與傳統雷射最主要的區別在於：輻射波長不依賴於受激介質，僅與電子束的能量和波蕩器（用於輻射的周期性磁場）有關。FEL 具有波長完全可調諧的特點，可以獲得其他雷射器不能實現的波段，相應波長可覆蓋從太赫茲至硬 X 射線甚至γ射線的範圍。其中，太赫茲、紅外、極紫外、X 射線波長範圍內的 FEL 分別稱為 THz-FEL、IR-FEL、EUV-FEL、XFEL。當前，FEL 廣泛應用於凝聚態物理、先進材料與表面物理、原子分子物理、化學、生物等基礎科學研究，推動了戰略安全、航空航天、能源環境、醫藥、化工、高端製造等領域的重大技術革新。

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。科技強國高度重視 FEL 的發展，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內部來實時觀測原子和分子的納米、微米尺度的演化圖像，進而操控電子、分子、原子甚至原子核的狀態。這類新型裝置促進科學研究方法和模式革新，有望開闢新的科學前沿來引發科技和產業革命。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下的超快動力學行為等。美國建設的國際上首個 XFEL 裝置（LCLS），主要科學目標即為服務於核物理相關的材料科學研究和高能量密度物理研究 [5]。相關 FEL 技術也是我國亟待發展的方向 [6]。

本文梳理了 FEL 技術發展的必要性，總結了現階段國內外 FEL 技術的發展現狀，在凝練我國面臨技術差距的基礎上提出了我國 FEL 技術的重點發展方向，以期為相關領域的規劃發展提供參考。

二、自由電子雷射的需求分析

FEL 裝置主要包括加速器、波蕩器和光束線系統三部分（見圖 1），基於加速器產生的相對論電子束，通過波蕩器的周期性磁場產生以受激輻射方式放大的相干輻射。按照放大增益的不同，FEL 主要分為低增益和高增益兩種機制，其優點為：①波長任意可調，在理論上不受限制，通過調節電子束能量和波蕩器磁場來改變輻射波長；②光束質量好，FEL 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；③峰值和平均功率高，工作環境為真空，不存在熱處理問題，理論上不存在絕對上限。因此，作為21世紀最先進的光源之一，FEL 主要用於產生其他光源不易產生的雷射波長、高峰值功率和高平均功率的雷射。

圖 1 FEL 裝置基本原理

（一）輻射頻率的需求

在光譜方面，仍存在著許多傳統雷射器不易產生或功率不夠的區域，如處於微波與紅外之間的太赫茲波、短波 X 射線甚至γ 射線等，亟需高性能的光源。FEL 裝置是在這些頻域內唯一能實現頻譜全覆蓋且提供高功率雷射的裝置，應用前景廣闊，也是光子科學諸多跨學科應用的關鍵支撐。

（二）輻射功率的需求

FEL 裝置可提供峰值功率超過 1 GW、平均功率大於 1 kW 的高亮度雷射，適應民用工業和國防安全領域的重大應用需求。極紫外（EUV）光刻技術是晶片製造行業的最前沿技術，需要功率為千瓦級的新型光源，而傳統的雷射等離子體（LPP）光源技術發展緩慢。FEL 具有波長可設計、理論功率極大的特徵，利用 FEL 原理可以產生波長為13.5 nm 的 EUV 光源。國際半導體企業紛紛提出了採用 FEL 作為 EUV 光源的先進技術方案。

三、國外自由電子雷射技術發展現狀

（一）長波波段自由電子雷射

長波波段 FEL 主要延續低增益諧振腔技術路線，具有波長可變、功率較高的特點，被視為雷射武器的一種理想形態，早期的研究高峰期是 20 世紀 80 年代。由於 FEL 裝置系統過於複雜、技術難度過大，未能形成相應技術裝備。在武器應用背景逐漸淡出之後，長波波段 FEL 的科研引領作用開始逐步凸顯，國際上很多裝置開始轉為利用 FEL 強大功能開展前沿科學技術及其產業化的研究（見表 1）。

表 1 國際上具有代表性的長波波段 FEL 裝置

美國傑斐遜實驗室 JLab IR 裝置 [7] 起初是作為雷射武器研究發展起來的 FEL 裝置，也是全球第一臺平均功率超過 10 kW 的雷射器。荷蘭 FELIX 裝置的建設目標集中在科學研究領域，是目前全球覆蓋範圍最廣的用戶裝置。俄羅斯 NovoFEL 裝置採用低頻常溫加速器路線導致體積巨大，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、用戶實驗站數量最多、機時最寶貴、科研產出最高的裝置，也是第一臺基於超導加速器的 THz-FEL 裝置。圍繞 FELBE 裝置開展的應用，每年發表論文超過100 篇（包括《科學》《自然》等期刊論文）。

（二）X 射線自由電子雷射

基於高增益單次放大的 XFEL 是 20 世紀末期發展起來的新技術（被稱為「四代光源」），受到國際廣泛關注。主要發達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 領域具有技術優勢，能源部（DOE）組織完成了數十次研討會，對國家安全、能源安全、前沿科學領域的需求進行了梳理總結。以此為指導，美國在 2009 年建成全球首臺 XFEL 裝置（LCLS）的同時，部署了 LCLS-II、極端條件下物質與輻射相互作用（MaRIE）的建設規劃，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研究需求 [5]。MaRIE 計劃主要面向極端條件下的材料科學研究，用於解決核裝置、能源安全、前沿科學領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、瑞士等在內的多國聯合開展了 European XFEL 裝置建設 [10]。作為世界上第一臺基於超導加速器的高重頻 XFEL 裝置，European XFEL 的性能指標引領未來 10 年發展，配置了多種極端條件加載裝置和與之配套的診斷技術，成為大國競相利用的優勢科技資源。美國的核技術實驗室也在聯合申請成為高能密度實驗站（HED）的用戶。

此外，瑞士根據本國在生物、醫藥、納米材料等領域的研究需求，獨立建設了 SwissFEL 裝置[11]；日本、韓國也分別建設了 XFEL 裝置 [12,13]。

（三）新型自由電子雷射

除了傳統的基於靜磁波蕩器的XFEL裝置以外，基於光學波蕩器的新型小型化 XFEL 光源技術成為研究熱點。相關思路早在 20 世紀七八十年代便已提出，但受限於當時的技術水平而難以實現。近年來，雷射技術的蓬勃發展為實現低成本、緊湊型的 XFEL 提供了新的機遇。基於光學波蕩器的量子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 XFEL 裝置的性能邊界，將成為XFEL 有益且有力的技術補充。

四、我國自由電子雷射技術的發展現狀

（一）取得的成就

我國 FEL 技術的發展也經歷了從國防需求牽引向科學研究應用的轉換過程。我國在 FEL 領域的理論與實驗研究始於 20 世紀 80 年代，早期代表性的工作有：拉曼型 FEL 出光（1985 年），波蕩器自發輻射（1986 年），諧振腔型技術路線和放大器型技術路線的 FEL 出光（1993 年）。2000 年以來，受到光子科學對光源裝置的需求牽引，國內新增建設了一批 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，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室（NSRL）主要開展振蕩器 FEL 的相關理論和實驗研究，現階段重點進行「基於可調諧紅外雷射的能源化學研究大型實驗裝置」國家重大科研儀器研製項目的研究，後續將建設覆蓋中紅外到遠紅外波長範圍的可調諧紅外光源（FELiChEM） [14]。華中科技大學重點開展振蕩器 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 年實現了能量為 30 MeV、遠紅外 / 太赫茲 FRL（FIR-FEL）的實驗出光 [15]；2017 年建成了我國唯一的基於超導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 年前後開始發展，已建成的裝置覆蓋了從紫外到軟 X 射線波段。2009 年，中國科學院上海應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雷射裝置（SDUV-FEL） [17]。2016 年，中國科學院大連化學物理研究所建成的「基於可調極紫外相干光源的綜合實驗研究裝置」實現出光 [18]。上海應用物理研究所和北京大學承擔的軟 X 射線 FEL 項目於 2014 年啟動，建設波長為 8.8 nm、光子能量為 0.14 keV 的 FEL 裝置，2020 年 1 月實現了全相干 FEL 輸出 [19]。

在 FEL 裝置的建設規劃方面，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；大連化學物理研究所擬建設基於超導加速器的連續 EUV-FEL 裝置。上海科技大學和中國科學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 的高品質電子束連續波超導直線加速器，輻射波長能量為 0.4~25 keV，X 光脈衝最高重複頻率可達 1 MHz，對促進我國光子科學的發展具有重要的意義 [20]。

（二）面臨的問題

1. 戰略目標待確立

發展 FEL 裝置的目的在於建設傳統雷射器所不易產生或功率不夠的新型光源裝置；而作為大型科研裝置，FEL 裝置將是一個城市甚至一個地區的科研創新名片。我國在相關領域的宏觀戰略規劃不夠清晰，不利於發揮大型裝置的集群效應和示範效應，對相應地區的科研布局和創新發展牽引不夠。

2. 關鍵部件技術待突破

FEL 的諸多理論技術需要探索，與工程應用密切相關的關鍵部件國產化研製仍有待突破，包括：加速器與波蕩器物理設計與關鍵問題，高重頻高亮度光陰極電子槍，超導加速、射頻低電平控制、飛秒同步、高重頻束測、超導波蕩器、光束線等技術，用戶實驗站系統等。

3. 產業化應用待拓展

現階段的 FEL 應用集中在科研探索方面，相關裝置的投資建設主要是國家大型科研設備資助渠道。工業應用類別有限、「產學研」有所割裂的現狀，制約了未來 FEL 技術與應用的進一步發展，這就使得拓展 FEL 的產業化應用成為領域發展亟需。

五、我國自由電子雷射技術發展思路

（一）發展目標

以滿足國民經濟和國防建設的自主可控戰略需求為根本出發點，圍繞 FEL 在前沿基礎科學、能源安全和國防安全等領域的技術需求，提出關鍵技術自主突破和核心部件國產化的發展目標。通過政策引導、強化創新、應用融合等手段，建設更高功率、更短波長的 FEL 光源，在保障重大科研需求的基礎上拓展實施規模化的工業應用。參與全球科技競爭並建立相對技術優勢，推動以 FEL 光刻應用為代表的高端工業應用。

（二）發展路徑

1. 長波波段自由電子雷射技術

研究提出 [21]：生物神經信號的物理場應為太赫茲到紅外的高頻電磁場，最可能頻率範圍應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，把有關研究可稱為太赫茲生物學。除了生物學之外，其他領域對相關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的光源。

構建覆蓋整個紅外太赫茲頻段的高平均功率可調諧 FEL 光源，對於前沿科學研究具有重大意義。以紅外太赫茲 FEL 科學裝置為依託，構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、與先進測量技術相結合的綜合性平臺。相關平臺用於支撐凝聚態物理、新材料、先進光學、光電子學、生物、醫學、水科學等前沿熱點研究，以國家科研需求為導向，在應用領域拓展後支持開展多學科、多領域的工業應用。

2. X 射線自由電子雷射技術

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

3. 新型自由電子雷射技術

當前，國際上量子 FEL 技術仍處於原理驗證和探索研究階段 [22]，但在裝置規模、建設成本等方面具有潛在優勢，可以採用這一技術路線來構建實驗室規模的小型硬 X 射線相干光源，用於支持科研院所和高等院校的科學研究需求。我國適時開展量子 FEL 技術的發展規劃，注重理論研究並配套驗證實驗，在與國際量子 FEL 研究「同臺競技」的同時，逐步滿足國內日益增長的高性能 X 射線源的應用需求。

4. 基於 FEL 的 EUV 光刻光源技術

FEL 的工業應用是其主要發展方向之一，特別是作為 EUV 光刻光源 [23]。荷蘭阿斯麥爾公司（ASML）、日本 EUV-FEL 光源產業化研究會、美國格羅方德半導體股份有限公司（Global Foundries）等企業積極關注 EUV-FEL 光刻技術，認為將是光刻在 3 nm 節點之後的重要技術路線。

在新時期對關係國計民生的關鍵技術全面「自主可控」的強烈需求下，EUV 光刻技術將是我國亟待解決的「卡脖子」技術之一，也是我國未來晶片發展的重要基礎。按照關鍵技術驗證、原理樣機研製、產業化布局的「三步走」路線，規劃我國EUV-FEL 發展路線，推動 EUV-FEL 產業化發展。

六、對策建議

（一）科學制定發展戰略，保障科研攻關實施

我國 FEL 技術研究處於蓬勃發展時期，相關機構提出了多個 FEL 裝置的建設意向。建議提前論證和制定較為詳盡的發展策略與研發目標，注重需求牽引、突出應用導向，通過科學的規劃布局來推動 FEL 領域的良性循環和可持續發展。FEL 裝置屬於大型科研裝置，應注重強強聯合、加強組織管理，保證建設項目按質按期完成並發揮預期的關鍵作用。

（二）加強基礎投入，提高自主創新水平

FEL 技術屬於科技基礎研究，裝置系統複雜、投資大、周期長。建議政府保障FEL科研資源投入，通過項目建設和裝置運行的牽引，引導相關行業和企業、科研院所、高等院校的探索創新與應用研究方向。同時，通過各類基金的定向資助，推動關鍵部件的全面國產化；鼓勵領域科研創新和新原理新技術的出現，突破 FEL 裝置小型化和輕量化技術，促進 FEL 技術及其應用的健康發展。

（三）加強多方合作，促進科技成果轉化

FEL 裝置涉及多個領域，國際上 FEL 建設較多採用多方合作的形式：項目實施由牽頭機構總負責、多家科研機構共同參與，相關設備由科研機構研發、企業協作製造。這種方式有利於整合科技研發力量協同開展技術攻關，同時充分發揮優勢企業的加工製造能力，在裝置建設過程中實現技術轉化。建議在我國 FEL 領域加強行業間的技術合作，切實推動科研機構與優勢企業的分工合作，通過「產學研」聯合來促進 FEL 領域的綜合發展。

（四）促進研究與應用結合，推動市場應用

工業應用是 FEL 技術發展的重要方向，建議將以 EUV 光刻光源為引領來實現 FEL 技術的產業化轉化作為示範項目。通過項目實施，消除「產學研」脫節現象，探索形成極具價值的產業化方案，為後續技術轉化應用積累經驗、指明方向。加快 EUV 光刻光源技術方案與產業發展的論證，鼓勵申請優質專利並加強智慧財產權管理。引入企業力量建立樣機研製平臺，推動 FEL 產業的市場示範應用與規模化發展。

（五）營造文化氛圍，加強人才隊伍培養

支持和鼓勵科研機構參與國際科技合作計劃、國際大科學計劃和大科學工程，承擔或組織國際重大科技合作項目。引導有條件的高等院校和科研院所建立專業化、市場化的技術轉移機構，注重科技成果發布。培養一批高層次領軍人才和骨幹專業技術人才，加快推進 FEL 相關學科的人才發展和機制創新。加大高端人才引進力度，開展國際性的 FEL 技術交流，全面提升人才隊伍建設與國際科技合作的質量。