基于束縛態(tài)電子的傳統(tǒng)激光器受躍遷能級的影響,目前很難產(chǎn)生X射線波段的激光,而基于自由電子穿過周期性波蕩器產(chǎn)生的自由電子激光(FEL)不受此限制。因此,自1976年以來,自由電子激光的概念提出以來,FEL得到了飛速的發(fā)展,到2009年,世界第一臺硬X射線自由電子激光裝置LCLS建成,標(biāo)志著自由電子激光技術(shù)已經(jīng)從發(fā)展到成熟。鑒于X射線自由電子激光將來在科學(xué)與技術(shù)中的廣泛應(yīng)用,各國正在加緊建設(shè)XFEL裝置。由于目前,XFEL裝置大多工作在高增益SASE模式,但是該模式依然存在一定的問題,值得進(jìn)一步的深入的研究。因?yàn)镾ASE-FEL起源于電子束的局域噪聲,導(dǎo)致最后輸出的輻射脈沖中包含很多縱模,即光譜中有許多毛刺,造成光譜亮度下降。為了提高XFEL輻射脈沖的光譜亮度以及相干性,科學(xué)家進(jìn)行了廣泛的探索與研究,提出了多種方案。例如:基于外種子激光的高增益高次諧波方案(HGHG)和回聲諧波放大方案(EEHG);基于光學(xué)的辦法,即通過晶體單色器過濾自身的光譜,選出單色X光放大的方案(self-seeding);基于FEL中電子束與輻射脈沖間的滑移效應(yīng),提出的高亮度SASE方案(HB-SASE)等等。本論文研究的問題就是針對目前高增益XFEL中存在的問題展開的,即如何提高高增益XFEL的光譜亮度以及其相干性,使XFEL有著更廣泛的適用范圍。由于基于外種子激光方案的HGHG,受電子束能散的限制,單級諧波轉(zhuǎn)換次數(shù)不高(大約在15次左右),很難產(chǎn)生短波長的輻射脈沖。而EEHG可以產(chǎn)生高次諧波,我們研究使用單級EEHG產(chǎn)生150次的諧波輻射,著重研究了150次諧波的高階模式,以及非相干輻射(ISR)、相干輻射(CSR)和電子束內(nèi)散射(IBS)對EEHG-FEL群聚因子的影響,通過數(shù)值模擬驗(yàn)證,獲得了1.77nm的高亮度、全相干的軟X射線FEL脈沖輸出,為將來的超高次EEHG實(shí)驗(yàn)做出指導(dǎo)。此外,為了克服單級HGHG諧波轉(zhuǎn)換次數(shù)較低,以及級聯(lián)HGHG輸出脈沖穩(wěn)定性的問題,獲得高亮度、全相干、短脈沖的水窗波段FEL,我們提出了新的FEL運(yùn)行模式HB-HGHG,該方案首先使用相干輻射(CHG)產(chǎn)生高次諧波相干信號,然后通過新鮮束團(tuán)技術(shù),將輻射脈沖滑移放大,最后獲得的高亮度、全相干、短脈沖水窗波段的FEL的功率可以比級聯(lián)HGHG或者EEHG高一個(gè)數(shù)量級。由于目前產(chǎn)生XFEL的電子束能量較高,造價(jià)昂貴,為了降低電子束的能量,同時(shí)保證軟X射線FEL的功率不減。提出了基于外種子激光的諧波運(yùn)行模式CHG-HL來降低電子束的能量。該方案首先使用CHG產(chǎn)生短波長、全相干的高次諧波信號,然后該信號作為共振在第二級波蕩器的諧波上,通過新鮮束團(tuán)技術(shù)滑移放大,我們研究了0.84GeV的電子束,使用CHG產(chǎn)生90次諧波,最終獲得了功率為1.2GW,波長為3nm的高亮度、全相干軟X射線脈沖輸出。我國即將建設(shè)超導(dǎo)高重復(fù)頻率的硬X射線FEL裝置(SCLF),但對于超導(dǎo)高重復(fù)頻率的硬X射線自由電子激光,目前還沒有合適的方案能夠產(chǎn)生高重復(fù)頻率、高亮度、全相干的硬X射線FEL。這是因?yàn)槟壳暗膕elf-seeding方案,由于晶體熱負(fù)載等效應(yīng)的影響,只能工作在低重復(fù)頻率的模式,且輻射脈沖功率的抖動性較大。為了充分挖掘超導(dǎo)高重復(fù)頻率XFEL的潛能,我們研究了HB-SASE的方案,該方案可以工作在高重復(fù)頻率模式,但其中的延時(shí)裝置會引入過大的色散,破壞電子束的群聚,影響XFEL的飽和,我們提出了新的逆序滑移的序列,更好的維持了電子束的群聚,使得HB-SASE能夠在更短的距離內(nèi)達(dá)到飽和,同時(shí)研究了新的磁壓縮延時(shí)結(jié)構(gòu)。此外,目前用于泵浦-探測實(shí)驗(yàn)的高亮度雙色硬X射線脈沖在許多前沿的科學(xué)研究中變得越來越重要,我們基于歐洲自由電子激光裝置(European XFEL),結(jié)合雙色脈沖延時(shí)裝置(SDL)用來調(diào)節(jié)雙色脈沖的時(shí)間間隔,提出了四種時(shí)間可調(diào)的產(chǎn)生高亮度雙色硬X射線FEL的方案。其中,使用硬X射線self-seeding的方案(HXRSS)結(jié)合可以兩個(gè)方向同時(shí)旋轉(zhuǎn)的晶體,可以獲得雙色脈沖中包含的光子數(shù)超過10~(11),使用新鮮束團(tuán)技術(shù)可以獲得雙色脈沖間的硬X射線光子能量差達(dá)到1000eV,這些都為開展基于雙色硬X射線脈沖的前沿科學(xué)問題研究提供了性能優(yōu)異的工具。XFEL理論與實(shí)驗(yàn)的不斷發(fā)展,將會為科學(xué)與技術(shù)帶來不可估量的影響。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O434.1
【部分圖文】：

圖 1.1 振蕩器型 FEL中可以看到，振蕩器型 FEL 有三個(gè)部分組成：（1）率的直線加速器提供多次注入的電子束；（2）一節(jié)鏡構(gòu)成的光學(xué)諧振腔。波信號可以通過兩種途徑獲得，一種是由傳統(tǒng)的外的自發(fā)輻射提供；電子束會在波蕩器中不斷的放大百分之幾（即電子束每次通過一節(jié)波蕩器都是小信EL 被稱為低增益 FEL 的原因。但這并不影響振蕩器可以達(dá)到 GW 的水平），只要注入的電子束的個(gè)數(shù)模式能夠在光腔中存在的模式足夠的長，最終脈沖的(1 )Nout inP p

圖 1.2 HGHG-FEL 裝置結(jié)構(gòu)圖從圖 1.2 中，我們可以看到 HGHG 裝置主要由三部分組成：（1）首激光與電子束在調(diào)制段段波蕩器相互作用產(chǎn)生正弦能量調(diào)制；（2）能量調(diào)制的電子束會經(jīng)過一段短的色散段，進(jìn)行密度調(diào)制，如果種子激能量調(diào)制的深度比電子束的能散大幾倍則縱向流強(qiáng)在調(diào)制電子束波長產(chǎn)生諧波群聚分量；（3）經(jīng)過密度調(diào)制的電子束，進(jìn)入輻射段波蕩器電子束的諧波上，為了進(jìn)一步提高輻射功率，可以對波蕩器進(jìn)行 tapHG 原理驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)在 2000 年完成[46]。單級 HGHG 的諧波轉(zhuǎn)換次數(shù)主要受能量調(diào)制影響，這是因?yàn)楫?dāng)外種子束做能量調(diào)制會引入附加能散，引入能散 的最大值不能超過FEL 電子束獲得的能散，否則，電子束在輻射段只能發(fā)出相干輻射信號，沒有指數(shù)增益過程。由于受電子束能散的影響，單級 HGHG 諧波轉(zhuǎn)換

圖 1.3 EEHG 裝置結(jié)構(gòu)圖 1.3 中，可以看出 EEHG-FEL 的方案由兩級調(diào)制段與色散段級調(diào)制段與色散段將電子束在縱向相空間拉成條帶結(jié)構(gòu)，第二級作在 HGHG 模式，將第一級調(diào)制段電子束細(xì)微的條帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換上群聚（激光的波長為基波），然后電子束通過輻射段波蕩器實(shí)驗(yàn)方面，2010 年 SLAC 的 NLCTA 裝置首次觀察到了 EEHG 3,52]；2012 年，上海應(yīng)用物理研究所的 SDUV 上首次觀測到了 數(shù)放大[53]；到了 2016 年，SLAC 的 NLCTA 上觀測到了 EEHG ，55]。一條為了克服單級 HGHG 諧波轉(zhuǎn)換次數(shù)較低的方案，由 H于 2013 年提出，即相位聚合型 FEL（PEHG）[56,57]，該方案的：
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3 祝家清,劉延申,馮建輝,王明紅,周予生;自由電子激光中相對論性電子束的電荷波和電流波[J];光電子·激光;1997年03期

4 王俊毅;自由電子激光的分類[J];自然雜志;1986年01期

5 楊震華;我國自由電子激光研究的現(xiàn)狀[J];百科知識;1995年06期

6 杜祥琬,丁武;自由電子激光及其新近發(fā)展[J];物理;1992年08期

7 祝家清;自由電子激光述評[J];華中師院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1983年03期

8 李文勝;自由電子激光[J];現(xiàn)代物理知識;2005年04期

9 譚維翰;王潤文;丁勵明;;自由電子激光的不穩(wěn)振蕩理論與粒子軌道解析計(jì)算[J];激光與紅外;1980年12期

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本文編號：2844640