因这一电磁辐射是首先在电子同步加速器上被观测到的，故得名为同步辐射。

带电粒子做加速运动时，会发出电磁辐射。如图1a所示，低速运动带电粒子的辐射功率分布，没有明显的方向性。而相对论性带电粒子的电磁辐射主要集中在其运动轨迹的切线方向上，如图1b所示，其辐射张角为相对论因子的倒数，，为粒子的静止质量，为粒子的速度，为光速。

图1 带电粒子的电磁辐射

最初的同步辐射是从弯转磁铁处获得的，它是一个宽谱辐射，可以覆盖从红外到X射线的频谱范围。图2为弯转磁铁同步辐射功率密度随辐射频率的分布曲线，其中同步辐射特征频率定义为将辐射总功率分成两等份的那个特殊频率。特征频率可依式计算：，其中为弯转运动的半径。特征频率与相对论因子的三次方成正比，因此要想获得高能光子，有效的方法是提高带电粒子的能量。带电粒子的瞬时辐射功率与的四次方成正比：，其中为电子的电荷，为相对论速度，为真空中的电解质常数。因此电子作为最易获得的质量较轻的带电粒子，是被用来产生同步辐射的最佳选择。

图2 弯转磁铁的同步辐射谱函数

为了获得更强的同步辐射，人们制造了磁场方向（南极S与北极N）上下交替并沿运动轨道周期变化的磁铁，称之为扭摆器。当电子束经过扭摆器并沿蛇形轨道向前运动时，多次弯转发出的同步辐射相互叠加，从而增加了辐射的通量和亮度。进一步研究发现，如果各次弯转发出的同步辐射同相叠加，同步辐射光谱将形成分立谱，且光谱亮度与交变磁极数N的平方成正比，从而使同步辐射亮度在特定频谱上得到大幅度增强。这种具有干涉效应的扭摆器被称之为波荡器，波荡器的辐射原理如图3所示。当带电粒子在两个磁极处发出辐射的光程差是辐射波长的整数倍时，这两束光就可以同相叠加，其波长为：

其中以厘米为单位，为波荡器峰值磁场以特斯拉为单位，为波荡器周期长度以厘米为单位。波荡器中电子的瞬时辐射功率为：

图3 波荡器辐射原理示意图

波荡器的光谱如图4所示，当磁场很弱时（很小），只有基波能被观察到，当磁场增强时，高次谐波开始出现。当磁场进一步增强时，谱线越来越密，直至成为弯铁辐射的连续谱。

图4 波荡器辐射到弯铁辐射的频谱演变图

当电子能量为几个吉电子伏时，可产生硬X射线波段的同步辐射，其辐射张角小、指向性好，同时光斑尺寸小，其亮度（单位立体角、单位截面积、单位时间和0.1%带宽内的光子数）远高于其他方式所产生的X射线，是探知微观世界的有力工具。

综上所述，同步辐射具有十分突出的优良特性，包括：①亮度高，光子通量高。同步辐射集中在很小的立体角内，电子能量越高，立体角越小，能量越高度集中。②频谱宽，连续可调。同步辐射相应的波长为几微米至1纳米，相应的光子能量为1～10⁴电子伏量级。③具有偏振性。在电子轨道平面中辐射出的同步辐射完全是偏振光，其电矢量平行于轨道平面；偏离电子轨道的同步辐射，是椭圆偏振同步辐射。④具有时间结构。电子束是具有一定长度和间隔的脉冲束团，因此同步辐射的脉冲宽度取决于电子束团的长度，这表明同步辐射是具有时间结构的脉冲光源，其宽度约为0.01～1纳秒或更短。⑤洁净度高。同步辐射是自由电子产生的，无其他粒子本底。此外，同步辐射是在超高真空环境中传播，因此特别适合对环境清洁度要求很高的科学实验和工艺过程。⑥可作为标准光源。这是因为同步辐射的光通量、能量分布及偏振度等均可准确计算，并和实验值符合良好。

这些优异特性也使得同步辐射光源在近半个世纪的时间里得以持续和强劲的发展。截至2020年，同步辐射光源已经历了三代的发展，正在开启第四代的全新阶段。第一代同步辐射光源是基于高能物理的电子同步加速器或正负电子对撞机的兼用光源，其电子同步加速器或储存环不是为产生同步辐射设计的，因此第一代光源的性能普遍不高，实验线站数量较少，而且在使用时常常会受到高能物理实验的限制。第二代同步辐射光源是同步辐射专用光源，优化后的光源性能、实验线站数目和用光时间相比第一代光源都有大幅改善和提升。在此基础上，第三代同步辐射光源通过降低储存环电子束发射度并大量使用波荡器实现了同步辐射亮度的又一次大幅度提高。相对第二代光源，第三代光源使其同步辐射实验的空间、时间和能量分辨率等总体性能发生了飞跃，成为众多学科前沿研究和应用研究不可或缺的利器。第四代同步辐射光源也可称之为衍射极限储存环光源，即在第三代光源的基础上进一步降低储存环的电子束发射度，达到光子衍射极限。在此情形下，再降低电子束发射度对提升同步辐射亮度已没有帮助，即通过降低电子束发射度提高同步辐射光源亮度达到了极限。

全世界共有50多台同步辐射光源在运行，中国大陆有3台，分别是北京同步辐射装置 BSRF（第一代同步辐射光源，2.5GeV），合肥光源HLS（第二代同步辐射光源， 0.8GeV），上海光源SSRF（第三代同步辐射光源，3.5GeV）。此外，还有正在北京建设的高能光源HEPS（第四代同步辐射光源，6.0GeV）和在合肥预研的合肥先进光源HALS （第四代同步辐射光源，2.4GeV）。

同步辐射光源在基础研究和应用科学中有重要价值，广泛应用于凝聚态物理学、材料科学、原子物理和分子物理学、化学、生物大分子结构研究、地学、辐射诊断、微电子学和微机械技术等领域中，是众多学科进行基础和应用研究不可替代的工具。