自由电子激光多种相干辐射机制及相关物理的研究
发布时间：2020-08-21 06:16
【摘要】：自由电子激光(FEL)具有良好的相干性,极高的峰值功率,而产生群聚的电子束是实现相干辐射的关键。FEL原则上可工作于任意波段,目前在不同的波段发展了具有不同特点的多种FEL相干辐射机制。本文首先对FEL的主要工作模式、发展历史、发展方向进行了回顾和总结,然后介绍了 FEL理论基础、多种相干辐射机制、数值模拟软件,在掌握FEL物理研究方法的基础上,对多种FEL相干辐射机制及相关的物理问题进行了深入的研究,包括振荡器FEL、预聚束THz FEL、PEHGFEL以及多色多脉冲FEL。介绍了振荡器的工作原理,分析了波荡器和电子束决定的单程小信号增益,然后利用波荡器的梯度降低振荡器对电子束能散的要求,结果表明电子束能散较大时,利用波荡器的梯度可显著提高增益和饱和功率;研究了腔镜反射率、耦合孔径、腔长失谐对振荡器输出特性的影响,腔长失谐小于一个辐射波长时,有最大的辐射功率;分析了振荡器FEL的自然锁模,当滑移长度远小于电子束长度并且腔长失谐较小振荡器处于深度饱和时,在时间频谱结构上脉冲会形成多峰结构。阐述了预聚束FEL工作原理,对比其他辐射机制,分析了预聚束FEL的辐射功率,然后给出了预聚束FEL的群聚因子和能量分布函数,之后对THz FEL波荡器进行了物理设计,研究了基于脉冲串群聚基波辐射和二次谐波辐射;解析结合模拟验证了能散较小时决定预聚束FEL辐射带宽的主要因素,结果表明当微束团数远大于波荡器周期数时,最终辐射带宽接近微束团数分之一,反之,最终辐射带宽接近波荡器周期数分之一,对于预聚束FEL的谐波辐射,最终辐射带宽与谐波次数成反比。另外给出了可能由电子束参数和波荡器参数引入的抖动和误差。介绍了 PEHG的工作原理,解析结合模拟研究了利用波荡器自然梯度实现PEHG的方案,给出了高次谐波群聚因子的优化条件,结果表明NTG型PEHG可以取得与原始PEHG差不多的FEL性能,然后分析了主要参数对相位汇聚效果和饱和功率的影响,另外还研究了增强型PEHG,利用反相调制段抑制电子束的能散,结果表明利用反相调制段可实现较为可观的抑制能散效果,然后分析了主要参数对增强型PEHG的影响,最后研究了采用TGU和NTG在储存环上实现高重频PEHG的可行性。基于HGHG型FEL高次谐波工作模式,研究了多色多脉冲FEL。首先简要介绍了实现双色FEL和产生倾斜电子束的几种主要方法,然后提出了一种新型双色FEL方案,使倾斜电子束的不同部分在相邻的谐波上分别满足不同的共振条件进而产生双色FEL,然后分析了本方案光场的可调性,最后研究了通过采用较大的倾斜幅度和横向梯度,使得整个电子束长度内满足多个相邻谐波的共振条件进而产生三色FEL的可能性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24
【图文】：
逦＼邋Ｍｉｒｒｏｒ逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｎ逡逑图１．１振荡器型ＦＥＬ逡逑自放大自发辐射型自由电子激光：主要工作于氋增益范围，辐射波长理论上逡逑可以覆盖任意波段，实际上一般主要工作于短波长波段，如紫外、软Ｘ射线和硬逡逑Ｘ射线。ＳＡＳＥ型ＦＥＬ的优点主要为峰值功率高、波长连续可调以及结构相对简逡逑单。ＳＡＳＥ是目前短波长波段实际应用最多的ＦＥＬ工作模式，如图１．２所示，逡逑ＳＡＳＥ型ＦＥＬ为单次通过型的ＦＥＬ装置，在一个较长的波荡器中，由于电子束逡逑每经过一个波荡器周期就落后它产生的辐射场一个辐射波长的距离（滑移效应），逡逑前面的电子可以不断的与后面的电子产生的辐射场相互作用，辐射场经过指数增逡逑益后逐渐饱和。但是由于ＳＡＳＥ的初始光场为电子束的噪声，因此饱和时辐射脉逡逑冲的波长以及功率的稳定性不是很好。另外由于滑移效应的存在
可以覆盖任意波段，实际上一般主要工作于短波长波段，如紫外、软Ｘ射线和硬逡逑Ｘ射线。ＳＡＳＥ型ＦＥＬ的优点主要为峰值功率高、波长连续可调以及结构相对简逡逑单。ＳＡＳＥ是目前短波长波段实际应用最多的ＦＥＬ工作模式，如图１．２所示，逡逑ＳＡＳＥ型ＦＥＬ为单次通过型的ＦＥＬ装置，在一个较长的波荡器中，由于电子束逡逑每经过一个波荡器周期就落后它产生的辐射场一个辐射波长的距离（滑移效应），逡逑前面的电子可以不断的与后面的电子产生的辐射场相互作用，辐射场经过指数增逡逑益后逐渐饱和。但是由于ＳＡＳＥ的初始光场为电子束的噪声，因此饱和时辐射脉逡逑冲的波长以及功率的稳定性不是很好。另外由于滑移效应的存在，ＳＡＳＥ所产生逡逑的辐射光谱为许多个不相干的尖峰构成，在单个尖峰内（一个合作长度内）可以逡逑认为辐射场是相干的，因此总体上来讲饱和时ＳＡＳＥ的辐射脉冲在纵向上是部分逡逑相干的
逑高增益高次谐波型自由电子激光：是除了邋ＳＡＳＥ以外在高增益范围内的另一逡逑种主要的ＦＥＬ工作模式。如图１．３所示，ＨＧＨＧ的初始光场为外种子激光，因此逡逑相比ＳＡＳＥ，其辐射脉冲的纵向相干性和稳定性一般较好（由种子激光决定），所逡逑需的波荡器长度相对较短。ＨＧＨＧ型ＦＥＬ主要工作原理为电子束在一个较短的逡逑波荡器内经过种子激光调制后形成一定的群聚，再经过色散段提高电子束的群聚逡逑后将电子束送入增益段波荡器中，在种子激光的高次谐波上产生相干的辐射场。逡逑但ＨＧＨＧ型ＦＥＬ对电子束与种子激光的同步性要求较高；另外受限于常规种子逡逑激光的波长以及谐波转换次数，ＨＧＨＧ型ＦＥＬ邋—般工作在紫外和软Ｘ射线波段，逡逑很难工作于硬Ｘ射线波段，而且其辐射波长只能为种子激光的谐波，不能连续逡逑的调节。为了进一步提高谐波转换次数，级联ＨＧＨＧ［９］、回声增强谐波产生［１０］逡逑（Ｅｃｈｏ－Ｅｎａｂｌｅｄ邋Ｈａｒｍｏｎｉｃ邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，简称邋ＥＥＨＧ）和相位汇聚增强谐波产生［１１］逡逑（Ｐｈａｓｅ－ｍｅｒｇｉｎｇＥｎｈａｎｃｅｄ邋Ｈａｒｍｏｎｉｃ邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
本文编号：2799033
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24
【图文】：
逦＼邋Ｍｉｒｒｏｒ逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｎ逡逑图１．１振荡器型ＦＥＬ逡逑自放大自发辐射型自由电子激光：主要工作于氋增益范围，辐射波长理论上逡逑可以覆盖任意波段，实际上一般主要工作于短波长波段，如紫外、软Ｘ射线和硬逡逑Ｘ射线。ＳＡＳＥ型ＦＥＬ的优点主要为峰值功率高、波长连续可调以及结构相对简逡逑单。ＳＡＳＥ是目前短波长波段实际应用最多的ＦＥＬ工作模式，如图１．２所示，逡逑ＳＡＳＥ型ＦＥＬ为单次通过型的ＦＥＬ装置，在一个较长的波荡器中，由于电子束逡逑每经过一个波荡器周期就落后它产生的辐射场一个辐射波长的距离（滑移效应），逡逑前面的电子可以不断的与后面的电子产生的辐射场相互作用，辐射场经过指数增逡逑益后逐渐饱和。但是由于ＳＡＳＥ的初始光场为电子束的噪声，因此饱和时辐射脉逡逑冲的波长以及功率的稳定性不是很好。另外由于滑移效应的存在
可以覆盖任意波段，实际上一般主要工作于短波长波段，如紫外、软Ｘ射线和硬逡逑Ｘ射线。ＳＡＳＥ型ＦＥＬ的优点主要为峰值功率高、波长连续可调以及结构相对简逡逑单。ＳＡＳＥ是目前短波长波段实际应用最多的ＦＥＬ工作模式，如图１．２所示，逡逑ＳＡＳＥ型ＦＥＬ为单次通过型的ＦＥＬ装置，在一个较长的波荡器中，由于电子束逡逑每经过一个波荡器周期就落后它产生的辐射场一个辐射波长的距离（滑移效应），逡逑前面的电子可以不断的与后面的电子产生的辐射场相互作用，辐射场经过指数增逡逑益后逐渐饱和。但是由于ＳＡＳＥ的初始光场为电子束的噪声，因此饱和时辐射脉逡逑冲的波长以及功率的稳定性不是很好。另外由于滑移效应的存在，ＳＡＳＥ所产生逡逑的辐射光谱为许多个不相干的尖峰构成，在单个尖峰内（一个合作长度内）可以逡逑认为辐射场是相干的，因此总体上来讲饱和时ＳＡＳＥ的辐射脉冲在纵向上是部分逡逑相干的
逑高增益高次谐波型自由电子激光：是除了邋ＳＡＳＥ以外在高增益范围内的另一逡逑种主要的ＦＥＬ工作模式。如图１．３所示，ＨＧＨＧ的初始光场为外种子激光，因此逡逑相比ＳＡＳＥ，其辐射脉冲的纵向相干性和稳定性一般较好（由种子激光决定），所逡逑需的波荡器长度相对较短。ＨＧＨＧ型ＦＥＬ主要工作原理为电子束在一个较短的逡逑波荡器内经过种子激光调制后形成一定的群聚，再经过色散段提高电子束的群聚逡逑后将电子束送入增益段波荡器中，在种子激光的高次谐波上产生相干的辐射场。逡逑但ＨＧＨＧ型ＦＥＬ对电子束与种子激光的同步性要求较高；另外受限于常规种子逡逑激光的波长以及谐波转换次数，ＨＧＨＧ型ＦＥＬ邋—般工作在紫外和软Ｘ射线波段，逡逑很难工作于硬Ｘ射线波段，而且其辐射波长只能为种子激光的谐波，不能连续逡逑的调节。为了进一步提高谐波转换次数，级联ＨＧＨＧ［９］、回声增强谐波产生［１０］逡逑（Ｅｃｈｏ－Ｅｎａｂｌｅｄ邋Ｈａｒｍｏｎｉｃ邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，简称邋ＥＥＨＧ）和相位汇聚增强谐波产生［１１］逡逑（Ｐｈａｓｅ－ｍｅｒｇｉｎｇＥｎｈａｎｃｅｄ邋Ｈａｒｍｏｎｉｃ邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
【参考文献】
相关博士学位论文 前2条
1 李和廷;高增益短波长自由电子激光相关物理研究[D];中国科学技术大学;2011年
2 耿会平;软X射线自由电子激光设计及相关物理研究[D];中国科学技术大学;2010年
本文编号：2799033
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