近期，上海高等研究院在全相干自由電子激光研究方面取得進展，基于上海軟X射線自由電子激光裝置成功驗證了由我國自主提出的回聲諧波級聯(lián)自由電子激光新機制，并獲得了具有優(yōu)異性能的軟X射線相干輻射。相關(guān)研究成果為產(chǎn)生亞納米波段的全相干自由電子激光提供了切實可行的技術(shù)路線，并將為X射線非線性光學(xué)和超快物理化學(xué)等領(lǐng)域提供理想的研究工具。

相干輻射是指互為同相的輻射。相干輻射,就像在激光束中發(fā)現(xiàn)的那樣,會互相干涉,產(chǎn)生出干涉圖形,用以探測運動或位置中的偏差.這對于干涉儀和引力波探測器有用。

回聲諧波放大型自由電子激光(EEHG-FEL)是一種先進的基于外種子激光的諧波產(chǎn)生方案，它具有較高的諧波轉(zhuǎn)換次數(shù)，可以達到X射線波段，它產(chǎn)生的自由電子激光輻射具有優(yōu)異的時間相干性和空間相干性。

直線加速器產(chǎn)生的電子束團經(jīng)過第一個調(diào)制段波蕩器與種子激光進行相互作用后，會產(chǎn)生正弦狀的能量調(diào)制，經(jīng)過第一個較強的色散段后，電子束的相空間會被撕裂成能帶結(jié)構(gòu)。

自由電子激光是利用自由電子為工作媒質(zhì)產(chǎn)生的強相干輻射，它的產(chǎn)生機理不同于原子內(nèi)束縛電子的受激輻射。自由電子激光的概念是John M. J. Madey于1971年在他的博士論文中首次提出的，并在1976年和他的同事們在斯坦福大學(xué)實現(xiàn)了遠紅外自由電子激光，觀察到了10.6μm波長的光放大。自那以后，許多國家都開展了關(guān)于自由電子激光的理論與實驗研究。

自由電子激光的基本原理是通過自由電子和光輻射的相互作用，電子將能量轉(zhuǎn)送給輻射而使輻射強度增大。

自由電子激光具有一系列已有激光光源無法替代的優(yōu)點。例如，頻率連續(xù)可調(diào)、頻譜范圍廣、峰值功率和平均功率高且可調(diào)、相干性好、偏振強，具有ps量級脈沖的時間結(jié)構(gòu)。

自由電子激光的物理原理是利用通過周期性擺動磁場的高速電子束和光輻射場之間的相互作用，使電子的動能傳遞給光輻射而使其輻射強度增大。利用這一基本思想而設(shè)計的激光器稱為自由電子激光器(簡稱FEL)。一組扭擺磁鐵可以沿z軸方向產(chǎn)生周期性變化的磁場.磁場的方向沿y軸。由加速器提供的高速電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁鐵D導(dǎo)入擺動磁場。

由于磁場的作用.電子的軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)而沿著正弦曲線運動，其運動周期與擺動磁場的相同。這些電子在xOz面內(nèi)搖擺前進，沿x方向有一加速度，因而將在前進的方向上輻射出電磁波。輻射的方向在以電子運動方向為中心的一個角度范圍內(nèi)。

由此可見，自由電子激光器的工作原理完全基于經(jīng)典物理學(xué)，不同于傳統(tǒng)激光器(如紅寶石激光器)依賴于原子的受激吸收與受激輻射這一量子現(xiàn)象。在經(jīng)典物理學(xué)中，能量是連續(xù)的，而不是離散(量子化)的。從而，自由電子激光器可以實現(xiàn)輻射頻率的大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)。

自由電子激光器的高效率、短脈沖及波長可調(diào)的優(yōu)點，在工業(yè)上也有廣闊的應(yīng)用前景。例如在半導(dǎo)體工藝中的薄膜沉積、平板印刷術(shù)、蝕刻、摻雜質(zhì)等，自由電子激光器特別適合大批量材料處理，因為它的波長可調(diào)諧，器件又可放大到能輸出高平均功率。用于材料處理時，要求功率為1~5KW，波長為8~20Van的自由電子激光器。自由電子激光器還可進行各種化學(xué)分析與測量，可以生產(chǎn)高純硅晶體、滿足計算機生產(chǎn)的需要.集成電路裝配，包括量子處理和光刻可更多地借助短波自由電子激光器。

另外，自由電子激光器還用在激光加工、光CVD等方面的材料，制作X射線激光器、激光加速器等。自由電子激光器還用在原子、分子的基礎(chǔ)研究上。光化學(xué)可依賴工作在紫外到遠紫外區(qū)的自由電子激光器。自由電子激光的可調(diào)諧性和超短脈沖特性，使得探索化學(xué)反應(yīng)過程、生化過程的動態(tài)過程成為可能。這對研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能，以及對生成新物質(zhì)的研究，將會產(chǎn)生革命性的變革和新的進展。

軟X射線投影光刻技術(shù)是現(xiàn)有可見-近紫外投影光刻技術(shù)向軟X射線波段(1～30nm)的延伸。但是，由于此波段任何材料的折射率均接近于1，而且吸收較大，微縮投影光學(xué)系統(tǒng)必須采用反射系統(tǒng)，而單層膜反射鏡對正入射軟X 射線的反射率幾乎為零，無法利用其組成正入射系統(tǒng)。70年代后，隨著超光滑表面加工技術(shù)和超薄膜制備技術(shù)的不斷提高，目前人們制備的13nm Mo/Si多層膜反射率已接近70%，這使人們利用多層膜反射鏡集成軟X射線投影光刻系統(tǒng)成為可能。

在軟X射線投影光刻的光源中，激光等離子體光源比同步輻射源體積小、價格便宜、易于在現(xiàn)有集成電路生產(chǎn)線上安裝。但常規(guī)激光等離子體光源在激光直接照射在固體靶上時，除輻射出所需軟X射線外，還產(chǎn)生大量的碎屑，會污染并縮短光學(xué)元件的壽命。為此，實用化的光刻系統(tǒng)必須使用無污染的激光等離子體光源。