高增益自由电子激光微束团的产生与应用研究

发布时间：2020-07-10 13:42

【摘要】：自由电子激光(Free Electron Laser,FEL),由于其能够提供短脉冲,短波长,高亮度,全相干等特性的脉冲辐射,为物理,化学,生物,制药,材料等诸多领域的学科提供了一个非常好的实验平台。在过去几十年的时间里,自由电子激光经过了蓬勃的发展。如今,世界上运行的X射线自由电子激光装置几乎都是基于自放大自发辐射(self-amplified spontaneous emission,SASE)模式,比如德国的FLASH,美国的LCLS,日本的SACLA,以及在建的瑞士的SwissFEL,德国的European-XFEL和韩国的PAL-FEL。由于SASE起源于噪声,这使得其辐射光的纵向相干性很差,中心波长也不稳定。于是,为了提升SASE的性能,自种子放大模式(self-seeding scheme),增强型自放大自发辐射(enhanced-SASE,eSASE),改进型自放大自发辐射(improved-SASE,iSASE)等模式逐渐被提出并加以研究。另一方面,为了提高SASE辐射纵向相干性差的缺点,基于外种子激光的高增益自由电子激光(seeded-FEL),比如高增益高次谐波辐射(high gain harmonic generation,HGHG),回声谐波放大谐波辐射(echo-enabled harmonic generation,EEHG)和相位汇聚谐波辐射(phase-merging enhanced harmonic generation,PEHG)等模式相继被提出。作为世界上首台基于级联HGHG模式的自由电子激光用户装置,意大利的FERMI-FEL于2013年实现了最短4纳米软X射线自由电子激光辐射的出光,取得了很大的成功。我国在建的大连相干光源(Dalian Coherent Light Source,DCLS)和上海软X射线自由电子激光装置(Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser,SXFEL)作为国内首台基于HGHG模式和外种子型级联的用户装置,将为我国在FEL领域提供极大的发展推动力。FEL可以提供有种种优点的辐射,也势必会带来对电子束品质(能量,流强,发射度,能散等)的苛刻要求。同时,随着自由电子激光装置的发展和研究,用户对FEL也提出了各种各样的更高要求。为了满足自由电子激光越来越苛刻的要求,对产生FEL辐射的电子束微束团的研究也越来越重要。本文将基于上海深紫外自由电子激光装置(Shanghai Deep Ultraviolet Free Electron Laser,SDUV-FEL),上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)和大连相干光源(DCLS)对各种各样的电子束微束团的产生、优化以及其应用进行了深入研究。电子束在加速和压缩过程中,由于纵向空间电荷效应(longitudinalspacecharge,lsc),相干同步辐射效应(coherentsynchrotronradiation,csr)和尾场(wakefield)等引入的阻抗,电子束团初始的密度调制会在加速过程中不断积累能量调制,当电子束被压缩时,能量调制又会转化成密度调制,所产生的额外的密度调制通常会远大于初始的密度调制,从而造成电子束品质的下降。本文将基于sduv装置和sxfel装置对微束团的不稳定性进行研究,并提出抑制微束团不稳定性的方法。自由电子激光是一个十分复杂的大型装置,需要加速器,磁压缩器,低电平,真空,激光等不同的系统相互协调。激光,加速器,低电平等系统的抖动都会造成电子束的能量、发射度、电荷量、到达时间的抖动。同时sxfel装置是一个基于级联hghg模式的运行系统,其相较现如今世界上xfel装置普遍采用的sase模式也相对复杂。电子束品质的抖动将对最终级联hghg辐射能量产生重要影响。本文将基于sxfel装置对装置的参数抖动造成级联hghg辐射能量的影响进行深入研究,并对装置的升级给出参考。太赫兹(thz)辐射由于其在通讯,安检,雷达,医疗成像等方面有着广阔应用从而被广大的科研工作者进行了深入的研究。由于自由电子激光装置的加速器系统可以提供高品质的电子束团,因而十分适合用来产生拥有太赫兹波长尺度密度调制的电子束。本文将以sduv装置为例,从理论和实验上对基于加速器技术产生太赫兹辐射微束团的可行性进行深入研究。随着用户需求的提升,双束团的运行模式逐渐成为自由电子激光领域研究的热点。由于其在双色自由电子激光(twocolor),泵浦探测实验(pump-probe),基于束流驱动的等离子体加速器(beam-drivenplasmaacceleration)等方面有着广阔的应用,因而世界上很多在运行的自由电子激光装置都对此进行了实验研究。本文以sxfel装置为依托,对在上海软x射线自由电子激光装置上进行双束团运行模式的可行性进行了研究,并提出和比较了三种双束团的产生方法。最后,本文还以大连相干光源装置为例对基于脉冲串锁模光谱的产生进行了可行性研究。由于其在多波混频(four-wave-mixing,six-wave-mixing等),多色光驱动的阿秒脉冲产生(isolatedattosecondpulse,iap),泵浦探测(pump-probe)或其他基于光谱依赖的实验有着广泛的应用,本文提出并对比了三种产生锁模光谱的方法,对大连相干光源的用户也提供了更宽的选择。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN24
【图文】：

X射线,自由电子激光,深紫外,射频直线加速器

图 1-1 国际上 X 射线 FEL 装置分布之外，我国由于上海深紫外自由电子激光装置（SDUV）为我国光装置的研制积累了技术储备，解决了大量的关键技术，由中物理研究所研制的大连相干光源（DCLS）将是我国首个基于射GHG 工作模式的深紫外用户装置。其主加速器提供 50Hz、300M子束通过波荡器产生 50-150nm 大范围连续可调的深紫外自由装置与 2014 年底奠基开工并预计于 2016 年底出光并用于用户学院上海应用物理研究所研制的基于射频直线加速器和级联 X射线自由电子激光装置则是我国首个软X射线自由电子激光射频直线加速器提供 800MeV、600A 的高亮度电子束并输入到级 HGHG 辐射出 6 次谐波 44nm 的深紫外光。然后利用“束团刷将第一级辐射的输出光作为第二级的种子激光对新鲜束团再进

结构图,振荡器,结构图,高增益

图 1-2 振荡器型 FEL 结构图益 FEL得更高的辐射功率和更短的辐射波长，各种高增益 FEL 理论被。高增益 FEL 主要指高品质电子束单次通过长波荡器并获得较饱和。现如今高增益的 FEL 按照是否需要外种子激光驱动分为子激光的基于自放大自发辐射型（SASE）和需要种子激光驱动提高 FEL 辐射性能，每一种类型的 FEL 又衍生出了很多种不同将简要介绍一些现如今主流的高增益 FEL 的运行机制。放大自发辐射型自发辐射（SASE）是现如今 X 射线、特别是硬 X 射线自由电子主流的运行模式[12,40]。其结构非常简单，如图 1-3（上图）

放大自发辐射,型模,种子

了提高 FEL 辐射性能，每一种类型的 FEL 又衍生出了很多种不同的运下面将简要介绍一些现如今主流的高增益 FEL 的运行机制。1 自放大自发辐射型放大自发辐射（SASE）是现如今 X 射线、特别是硬 X 射线自由电子激光用的主流的运行模式[12,40]。其结构非常简单，如图 1-3（上图）所示直线加速器产生的高流强低发射度的高品质电子束通过一个足够长的生饱和的高功率 FEL。SASE 模式的优点很明显：结构简单、波长连续可行比较稳定、对能量抖动和时间抖动都不怎么敏感。但 SASE 的缺点也由于 SASE 的起始阶段是依靠电子束的噪声起振，而电子束的噪声是完，这就导致了初始的中心波长抖动很大，随后的指数增益过程中，初始被放大，导致最后辐射的波长抖动很大。虽然 SASE 模式的辐射光横向好，但纵向相干性离“傅里叶转换极限”还有很大的距离。

【参考文献】