【摘要】：自由電子激光(Free Electron Laser,FEL),由于其能夠提供短脈沖,短波長(zhǎng),高亮度,全相干等特性的脈沖輻射,為物理,化學(xué),生物,制藥,材料等諸多領(lǐng)域的學(xué)科提供了一個(gè)非常好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在過(guò)去幾十年的時(shí)間里,自由電子激光經(jīng)過(guò)了蓬勃的發(fā)展。如今,世界上運(yùn)行的X射線自由電子激光裝置幾乎都是基于自放大自發(fā)輻射(self-amplified spontaneous emission,SASE)模式,比如德國(guó)的FLASH,美國(guó)的LCLS,日本的SACLA,以及在建的瑞士的SwissFEL,德國(guó)的European-XFEL和韓國(guó)的PAL-FEL。由于SASE起源于噪聲,這使得其輻射光的縱向相干性很差,中心波長(zhǎng)也不穩(wěn)定。于是,為了提升SASE的性能,自種子放大模式(self-seeding scheme),增強(qiáng)型自放大自發(fā)輻射(enhanced-SASE,eSASE),改進(jìn)型自放大自發(fā)輻射(improved-SASE,iSASE)等模式逐漸被提出并加以研究。另一方面,為了提高SASE輻射縱向相干性差的缺點(diǎn),基于外種子激光的高增益自由電子激光(seeded-FEL),比如高增益高次諧波輻射(high gain harmonic generation,HGHG),回聲諧波放大諧波輻射(echo-enabled harmonic generation,EEHG)和相位匯聚諧波輻射(phase-merging enhanced harmonic generation,PEHG)等模式相繼被提出。作為世界上首臺(tái)基于級(jí)聯(lián)HGHG模式的自由電子激光用戶裝置,意大利的FERMI-FEL于2013年實(shí)現(xiàn)了最短4納米軟X射線自由電子激光輻射的出光,取得了很大的成功。我國(guó)在建的大連相干光源(Dalian Coherent Light Source,DCLS)和上海軟X射線自由電子激光裝置(Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser,SXFEL)作為國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于HGHG模式和外種子型級(jí)聯(lián)的用戶裝置,將為我國(guó)在FEL領(lǐng)域提供極大的發(fā)展推動(dòng)力。FEL可以提供有種種優(yōu)點(diǎn)的輻射,也勢(shì)必會(huì)帶來(lái)對(duì)電子束品質(zhì)(能量,流強(qiáng),發(fā)射度,能散等)的苛刻要求。同時(shí),隨著自由電子激光裝置的發(fā)展和研究,用戶對(duì)FEL也提出了各種各樣的更高要求。為了滿足自由電子激光越來(lái)越苛刻的要求,對(duì)產(chǎn)生FEL輻射的電子束微束團(tuán)的研究也越來(lái)越重要。本文將基于上海深紫外自由電子激光裝置(Shanghai Deep Ultraviolet Free Electron Laser,SDUV-FEL),上海軟X射線自由電子激光裝置(SXFEL)和大連相干光源(DCLS)對(duì)各種各樣的電子束微束團(tuán)的產(chǎn)生、優(yōu)化以及其應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。電子束在加速和壓縮過(guò)程中,由于縱向空間電荷效應(yīng)(longitudinalspacecharge,lsc),相干同步輻射效應(yīng)(coherentsynchrotronradiation,csr)和尾場(chǎng)(wakefield)等引入的阻抗,電子束團(tuán)初始的密度調(diào)制會(huì)在加速過(guò)程中不斷積累能量調(diào)制,當(dāng)電子束被壓縮時(shí),能量調(diào)制又會(huì)轉(zhuǎn)化成密度調(diào)制,所產(chǎn)生的額外的密度調(diào)制通常會(huì)遠(yuǎn)大于初始的密度調(diào)制,從而造成電子束品質(zhì)的下降。本文將基于sduv裝置和sxfel裝置對(duì)微束團(tuán)的不穩(wěn)定性進(jìn)行研究,并提出抑制微束團(tuán)不穩(wěn)定性的方法。自由電子激光是一個(gè)十分復(fù)雜的大型裝置,需要加速器,磁壓縮器,低電平,真空,激光等不同的系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)。激光,加速器,低電平等系統(tǒng)的抖動(dòng)都會(huì)造成電子束的能量、發(fā)射度、電荷量、到達(dá)時(shí)間的抖動(dòng)。同時(shí)sxfel裝置是一個(gè)基于級(jí)聯(lián)hghg模式的運(yùn)行系統(tǒng),其相較現(xiàn)如今世界上xfel裝置普遍采用的sase模式也相對(duì)復(fù)雜。電子束品質(zhì)的抖動(dòng)將對(duì)最終級(jí)聯(lián)hghg輻射能量產(chǎn)生重要影響。本文將基于sxfel裝置對(duì)裝置的參數(shù)抖動(dòng)造成級(jí)聯(lián)hghg輻射能量的影響進(jìn)行深入研究,并對(duì)裝置的升級(jí)給出參考。太赫茲(thz)輻射由于其在通訊,安檢,雷達(dá),醫(yī)療成像等方面有著廣闊應(yīng)用從而被廣大的科研工作者進(jìn)行了深入的研究。由于自由電子激光裝置的加速器系統(tǒng)可以提供高品質(zhì)的電子束團(tuán),因而十分適合用來(lái)產(chǎn)生擁有太赫茲波長(zhǎng)尺度密度調(diào)制的電子束。本文將以sduv裝置為例,從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)基于加速器技術(shù)產(chǎn)生太赫茲輻射微束團(tuán)的可行性進(jìn)行深入研究。隨著用戶需求的提升,雙束團(tuán)的運(yùn)行模式逐漸成為自由電子激光領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。由于其在雙色自由電子激光(twocolor),泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)(pump-probe),基于束流驅(qū)動(dòng)的等離子體加速器(beam-drivenplasmaacceleration)等方面有著廣闊的應(yīng)用,因而世界上很多在運(yùn)行的自由電子激光裝置都對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本文以sxfel裝置為依托,對(duì)在上海軟x射線自由電子激光裝置上進(jìn)行雙束團(tuán)運(yùn)行模式的可行性進(jìn)行了研究,并提出和比較了三種雙束團(tuán)的產(chǎn)生方法。最后,本文還以大連相干光源裝置為例對(duì)基于脈沖串鎖模光譜的產(chǎn)生進(jìn)行了可行性研究。由于其在多波混頻(four-wave-mixing,six-wave-mixing等),多色光驅(qū)動(dòng)的阿秒脈沖產(chǎn)生(isolatedattosecondpulse,iap),泵浦探測(cè)(pump-probe)或其他基于光譜依賴的實(shí)驗(yàn)有著廣泛的應(yīng)用,本文提出并對(duì)比了三種產(chǎn)生鎖模光譜的方法,對(duì)大連相干光源的用戶也提供了更寬的選擇。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN24
【圖文】：

圖 1-1 國(guó)際上 X 射線 FEL 裝置分布之外，我國(guó)由于上海深紫外自由電子激光裝置（SDUV）為我國(guó)光裝置的研制積累了技術(shù)儲(chǔ)備，解決了大量的關(guān)鍵技術(shù)，由中物理研究所研制的大連相干光源（DCLS）將是我國(guó)首個(gè)基于射GHG 工作模式的深紫外用戶裝置。其主加速器提供 50Hz、300M子束通過(guò)波蕩器產(chǎn)生 50-150nm 大范圍連續(xù)可調(diào)的深紫外自由裝置與 2014 年底奠基開工并預(yù)計(jì)于 2016 年底出光并用于用戶學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所研制的基于射頻直線加速器和級(jí)聯(lián) X射線自由電子激光裝置則是我國(guó)首個(gè)軟X射線自由電子激光射頻直線加速器提供 800MeV、600A 的高亮度電子束并輸入到級(jí) HGHG 輻射出 6 次諧波 44nm 的深紫外光。然后利用“束團(tuán)刷將第一級(jí)輻射的輸出光作為第二級(jí)的種子激光對(duì)新鮮束團(tuán)再進(jìn)

圖 1-2 振蕩器型 FEL 結(jié)構(gòu)圖益 FEL得更高的輻射功率和更短的輻射波長(zhǎng)，各種高增益 FEL 理論被。高增益 FEL 主要指高品質(zhì)電子束單次通過(guò)長(zhǎng)波蕩器并獲得較飽和。現(xiàn)如今高增益的 FEL 按照是否需要外種子激光驅(qū)動(dòng)分為子激光的基于自放大自發(fā)輻射型（SASE）和需要種子激光驅(qū)動(dòng)提高 FEL 輻射性能，每一種類型的 FEL 又衍生出了很多種不同將簡(jiǎn)要介紹一些現(xiàn)如今主流的高增益 FEL 的運(yùn)行機(jī)制。放大自發(fā)輻射型自發(fā)輻射（SASE）是現(xiàn)如今 X 射線、特別是硬 X 射線自由電子主流的運(yùn)行模式[12,40]。其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，如圖 1-3（上圖）

了提高 FEL 輻射性能，每一種類型的 FEL 又衍生出了很多種不同的運(yùn)下面將簡(jiǎn)要介紹一些現(xiàn)如今主流的高增益 FEL 的運(yùn)行機(jī)制。1 自放大自發(fā)輻射型放大自發(fā)輻射（SASE）是現(xiàn)如今 X 射線、特別是硬 X 射線自由電子激光用的主流的運(yùn)行模式[12,40]。其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，如圖 1-3（上圖）所示直線加速器產(chǎn)生的高流強(qiáng)低發(fā)射度的高品質(zhì)電子束通過(guò)一個(gè)足夠長(zhǎng)的生飽和的高功率 FEL。SASE 模式的優(yōu)點(diǎn)很明顯：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、波長(zhǎng)連續(xù)可行比較穩(wěn)定、對(duì)能量抖動(dòng)和時(shí)間抖動(dòng)都不怎么敏感。但 SASE 的缺點(diǎn)也由于 SASE 的起始階段是依靠電子束的噪聲起振，而電子束的噪聲是完，這就導(dǎo)致了初始的中心波長(zhǎng)抖動(dòng)很大，隨后的指數(shù)增益過(guò)程中，初始被放大，導(dǎo)致最后輻射的波長(zhǎng)抖動(dòng)很大。雖然 SASE 模式的輻射光橫向好，但縱向相干性離“傅里葉轉(zhuǎn)換極限”還有很大的距離。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 ;Design study for the cascaded HGHG experiment based on the SDUV-FEL[J];Chinese Science Bulletin;2012年26期

本文編號(hào)：2748996