太赫兹FEL光学谐振腔波导的结构设计与工艺研究

摘要

基于自由电子激光(Free Electron Laser，FEL)的太赫兹波源可产生波长连续可调频率范围在0.1THz-10THz的远红外辐射激光，且该辐射光功率和效率都非常高，优于其他太赫兹波源。光学谐振腔作为太赫兹自由电子激光（THz-FEL）装置的核心系统之一，其主要作用是为反射光脉冲和相继电子束提供能量耦合的场所，研制高增益低损耗的光学谐振腔具有非常重要的意义。为使FEL装置能快速达到能量饱和出光，在光学谐振腔中加入波导对光场进行约束，以达到降低损耗提高增益的目的。
　　本文所研究波导安装于FEL装置波荡器16mm的磁铁间隙中，为满足低损耗高增益要求，对波导材料的相对磁导率、刚度、强度以及加工的直线度、平面度和表面粗糙度都有较高要求，需对其进行研究设计。首先，通过对比分析知波导能对光场聚束，可大幅降低损耗提高增益，对整个FEL装置有非常重要的作用。然后，综合考虑强度、刚度以及安装空间受波荡器间隙限制等因素，对波导进行整体结构优化设计。但所设计出的波导结构为1130mm长，截面为40mm×10mm矩形空腔，空腔内表面要求镀层处理以及1.6μm的高粗糙度，现有工艺无法直接加工获得，相应地设计出可行的工程机械结构。而改进后的部件结构非常薄仅有2mm厚且较长，本身强度、刚度十分差极易变形，针对此问题进行加工工艺的试验研究，通过两次试验加工得到可行的加工工艺路线。与此同时，考虑到波导需要焊接且其内表面需要镀层处理，通过多次试验对比确定相应的镀层处理方法以及镀层材料。完成相关工艺研究后，进行正式波导的机械加工、焊接、精度检测以及真空检漏。正式波导的直线度为0.07mm、平面度为0.10mm、上下表面平行度为0.08mm，针对1130mm这样一个细长空腔薄壁部件，这是目前能达到的较好精度。所研制的波导将为 THz-FEL装置的顺利出光建立良好的基础。

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1 绪论

1.1 课题来源、研究目的和意义

1.2 国内外研究概况

1.3 THz-FEL光学谐振腔

1.4 研究内容及章节安排

2 结构设计

2.1 引言

2.2 THz-FEL光学谐振腔波导分析

2.3 波导结构设计要求

2.4 波导相关参数确定

2.5 波导整体结构设计优化

2.6 本章小结

3 可行性结构设计及分析

3.1 引言

3.2 波导可行性机械结构设计

3.3 波导加工变形预分析

3.4 本章小结

4 工艺研究

4.1 引言

4.2 加工工艺研究

4.3 表面镀层工艺研究

4.4 波导真空钎焊

4.5 本章小结

5 全文总结展望

5.1 全文总结

5.2 未来展望

致谢

参考文献