一种基于自由电子激光的太赫兹-X射线产生装置

摘要

本发明涉及一种基于自由电子激光的太赫兹‑X射线产生装置，其包括超快激光系统以及依次连接的注入器、激光电子束调制系统、直线加速段、X射线辐射段、太赫兹辐射段、X射线延迟系统，超快激光系统包括超快激光器、脉冲展宽与分束系统、第一分束片以及第一反射镜，超快激光器设置为产生超快激光脉冲，第一分束片将超快激光脉冲分为第一路超快激光和第二路超快激光，第一路超快激光传输至注入器，第二路超快激光传输至脉冲展宽与分束系统，注入器在接收到第一路超快激光时生成电子束，脉冲展宽与分束系统根据第二路超快激光生成双脉冲激光，并将双脉冲激光传输至激光电子束调制系统。本发明产生的太赫兹‑X射线，高脉冲能量、光谱带宽窄可调谐性好。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹光学仪器技术领域，更具体地涉及一种基于自由电子激光的太赫兹-X射线产生装置。

背景技术

太赫兹波是频率高于微波、低于可见光的电磁波，具有宽带性、高分辨性、低能性、高穿透性、瞬态性等优越特性，在前沿科学研究领域和工业技术领域都具有重要的应用价值。近年来太赫兹-X射线泵浦探测技术在前沿科学研究领域起着愈加重要的作用，是进行纳米材料、生物分子结构动力学、强相互作用量子系统等研究的关键技术。然而，该技术对太赫兹和X射线的辐射特性也提出了极高的要求。

近年来，基于直线加速器的太赫兹产生技术快速发展。基于自由电子激光束团压缩的方案可以同时产生太赫兹辐射和X射线，使得太赫兹-X射线泵浦探测成为可能。具体来说，该方案将注入器产生的高能电子束经过直线段加速和压缩，将电子束压缩到一个辐射波长以内，进而在X射线辐射段和太赫兹辐射段通过超辐射产生X射线和太赫兹脉冲。但该方案具有以下缺点：1)没有高增益自由电子激光放大的过程，辐射峰值功率受限，使得脉冲能量相对较低；2)由于束团压缩到100飞秒以下的难度很大，对应产生10THz以上的太赫兹辐射难度很大，因此辐射光谱可调谐性差；3)辐射光谱较宽。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种基于自由电子激光的太赫兹-X射线产生装置，能够在产生高脉冲能量、光谱带宽窄的太赫兹辐射的同时产生X射线，并且可调谐性好。

本发明提供的一种基于自由电子激光的太赫兹-X射线产生装置，包括一超快激光系统以及依次连接的注入器、激光电子束调制系统、直线加速段、X射线辐射段、太赫兹辐射段、X射线延迟系统，其中，所述超快激光系统包括超快激光器、脉冲展宽与分束系统、第一分束片以及第一反射镜，所述超快激光器设置为产生超快激光脉冲，所述第一分束片将所述超快激光脉冲分为第一路超快激光和第二路超快激光，所述第一路超快激光传输至所述注入器，所述第二路超快激光传输至所述脉冲展宽与分束系统，所述注入器在接收到所述第一路超快激光时生成电子束，所述脉冲展宽与分束系统根据所述第二路超快激光生成双脉冲激光，并将所述双脉冲激光传输至所述激光电子束调制系统。

进一步地，所述注入器包括光阴极电子枪和位于光阴极电子枪下游的S波段或X波段的加速结构，所述光阴极电子枪设置为接收所述第一路超快激光以产生电子束，所述S波段或X波段的加速结构设置为对所述电子束进行加速。

进一步地，所述脉冲展宽与分束系统包括第二分束片，所述第二路超快激光被所述第二分束片分为第一路子激光和第二路子激光，沿所述第一路子激光所在光路依次排布有可调延时器、第二反射镜和第一合束片，沿所述第二路子激光所在光路依次排布有第三反射镜、第一合束片和脉冲展宽器。

进一步地，所述激光电子束调制系统包括一调制段波荡器。

进一步地，所述调制段波荡器为周期为50毫米、磁间隙在24毫米到80毫米连续可调的波荡器。

进一步地，所述直线加速段包括依次连接的第一加速单元、磁压缩器以及第二加速单元，所述第一加速单元设置为对来自所述激光电子束调制系统的电子束进行加速，加速后的电子束通过所述磁压缩器将能量调制转换为密度调制，密度调制的电子束通过第二加速单元生成可产生X射线的电子束。

进一步地，所述X射线辐射段为周期为16厘米、磁间隙在4毫米到80毫米连续可调的波荡器。

进一步地，所述太赫兹辐射段为周期为40厘米和80厘米可切换、磁间隙在9毫米到80毫米连续可调的波荡器。

进一步地，所述X射线延迟系统包括用于将X射线和太赫兹辐射分开的第三分束片，沿X射线所在光路依次排布有第一多层膜反射镜、第二多层膜反射镜、第三多层膜反射镜、第四多层膜反射镜和第二合束片，沿太赫兹辐射所在光路依次排布有第四反射镜、第五反射镜和所述第二合束片。

进一步地，所述第三分束片和所述第二合束片均为中心孔大小为1毫米的平面镜。

本发明的脉冲展宽与分束系统通过啁啾激光拍频技术可产生0.1太赫兹到30太赫兹连续可调的太赫兹信号，通过调节双脉冲激光的脉冲间距和能量啁啾就可调节太赫兹信号频率，可调谐性强。太赫兹信号与电子束在激光电子束调制系统中相互作用，从而在电子束纵向相空间中形成与太赫兹信号频率特征相同的能量调制，该能量调制在直线加速段的磁压缩器中转化为太赫兹波段的密度调制。本发明中密度调制的电子束通过直线加速段将电子束能量加速到1.3吉电子伏特到1.5吉电子伏特，该电子束可以在X射线辐射段中产生X射线自由电子激光，由于太赫兹和X射线的波长相差3个量级以上，辐射过X射线的电子束可以继续产生太赫兹辐射。该电子束可以在太赫兹辐射段中通过基波辐射产生0.1到30太赫兹辐射，通过二次谐波辐射可以产生0.2到60太赫兹辐射。本发明的太赫兹辐射通过高增益自由电子激光产生，可以实现毫焦量级的太赫兹脉冲输出，辐射光谱带宽窄、相干性好。因此本发明的一种基于自由电子激光的太赫兹-X射线产生装置可以在产生0.1到60太赫兹连续可调、毫焦量级的相干太赫兹辐射的同时，产生X射线自由电子激光，通过X射线延迟系统调节X射线与太赫兹辐射延时，可以满足X射线-泵浦探测实验的需求。

附图说明

图1是按照本发明的基于自由电子激光的太赫兹-X射线产生装置的结构示意图。

图2是图1中的脉冲展宽与分束系统的结构示意图。

图3是图1中的激光电子束调制系统的结构示意图。

图4是图1中的直线加速段的结构示意图。

图5是图1中的X射线延迟系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

本发明提供的一种基于自由电子激光的太赫兹-X射线产生装置，用于太赫兹-X射线泵浦探测实验，如图1所示，包括依次连接的注入器1、激光电子束调制系统2、直线加速段3、X射线辐射段4、太赫兹辐射段5和X射线延迟系统6，其中，注入器1和激光电子束调制系统2所需的激光脉冲由超快激光系统提供，超快激光系统包括超快激光器7、脉冲展宽与分束系统8、第一分束片9以及第一反射镜10。具体地，超快激光器7、第一分束片9和第一反射镜10沿着光路走向依次排布，并与注入器1产生的电子束传输轴平行，同时，第一反射镜10、脉冲展宽与分束系统8和激光电子束调制系统2沿光路走向依次排布。

超快激光器7设置为产生30飞秒至200飞秒可调的超快激光脉冲，第一分束片9将超快激光脉冲分为第一路超快激光71和第二路超快激光72，第一路超快激光71传输至注入器1，第二路超快激光72传输至脉冲展宽与分束系统8。注入器1在收到第一路超快激光71时产生高能电子束，脉冲展宽与分束系统8根据第二路超快激光72产生调制的太赫兹波段的双脉冲激光。

注入器1为光阴极注入器，包括光阴极电子枪和位于光阴极电子枪下游的S波段或X波段的加速结构。光阴极电子枪的光阴极接收第一路超快激光71从而产生高品质电子束，S波段或X波段的加速结构对电子束进行加速，使得注入器1出口处的电子束能量在50兆电子伏特至150兆电子伏特之间可调。

如图2所示，脉冲展宽与分束系统8包括第二分束片81，第二路超快激光72被第二分束片81分为第一路子激光721和第二路子激光722。脉冲展宽与分束系统8还包括沿第一路子激光721所在光路依次排布的可调延时器82、第二反射镜83和第一合束片85，以及沿第二路子激光722所在光路依次排布的第三反射镜84、第一合束片85和脉冲展宽器86。其中，第一路子激光721经过可调延时器82后，与第二路子激光722形成可调延时，再经过第二反射镜83到达第一合束片85与第二路子激光722汇合，得到双脉冲激光73。汇合后的双脉冲激光73经过脉冲展宽器86对脉冲长度进行展宽，展宽后的脉冲长度可调。

展宽后的双脉冲激光拍频可以得到太赫兹信号，太赫兹信号频率为：

其中，μ为高能电子束的能量啁啾的系数，τ为光脉冲延时大小。由此，太赫兹信号频率可以通过改变双脉冲激光73的光脉冲延时和能量啁啾来调节。

如图3所示，激光电子束调制系统2设置为在注入器1产生的电子束的纵向分布中产生与双脉冲激光73的频率特性一致的能量调制信号，从而得到带有太赫兹能量调制的电子束。激光电子束调制系统2包括一调制段波荡器21。在本实施例中，调制段波荡器21为一段周期为50毫米、磁间隙在24毫米到80毫米连续可调的波荡器(波荡器是一种磁极沿纵向周期性变化的磁铁结构)。在本发明中，电子束与上述双脉冲激光73传输到波荡器磁中心的真空管道中做正弦周期运动，双脉冲激光73和电子束在波荡器中的横向和纵向(时间)位置应尽可能的重合，使电子束的能量空间产生能量调制。

本发明利用脉冲展宽与分束系统8调节双脉冲激光73的脉冲间距和能量啁啾，来调节电子束中的能量调制的频率，从而调节太赫兹信号频率。具体地，通过调节脉冲展宽器86的色散参数改变双脉冲激光73的能量啁啾，通过调节可调延时器82改变双脉冲激光73的脉冲间距，实现对电子束中的能量调制频率进行调节。由于调制过程中采用相对论电子束，所以空间电荷效应对太赫兹结构的影响较小，保证了产生和维持太赫兹能量调制的可行性。

如图4所示，直线加速段3包括第一加速单元31、磁压缩器32以及第二加速单元33。第一加速单元31设置为接收来自激光电子束调制系统2的电子束，并将该电子束加速到200兆电子伏特至300兆电子伏特；加速后的电子束通过磁压缩器32将能量调制转换为密度调制，形成太赫兹波段的微群聚；密度调制的电子束通过第二加速单元33加速到1.3吉电子伏特到1.5吉电子伏特，该能量的电子束可以产生X射线。

再次参照图1，X射线辐射段4设置为根据直线加速段3产生的电子束生成X射线自由电子激光，太赫兹辐射段5设置为根据产生X射线自由电子激光后的电子束生成太赫兹自由电子激光。X射线辐射段4为一个周期为16厘米、磁间隙在4毫米到80毫米连续可调的波荡器，太赫兹辐射段5则为一个周期为40厘米和80厘米可切换、磁间隙在9毫米到80毫米连续可调的波荡器。

生成X射线-太赫兹辐射自由电子激光的原理为：电子束在波荡器中周期运动时，当辐射段波荡器满足共振关系时，电子束前一周期运动产生的光与下一次周期运动产生的光相干增强，同时该效果反作用电子束使其形成周期与辐射波长一致的微群聚。具体来说，辐射段波荡器的磁间隙与波荡器的磁场强度有关，可用于调节共振波长。辐射段波荡器的共振波长为：

其中，λ

当电子束本身有微群聚时，电子束会在波荡器中快速产生强辐射，该辐射可以在后续波荡器中继续放大。由于X射线和太赫兹辐射波段相差3个量级以上，太赫兹辐射所需的能散远大于X射线，故辐射X射线的高能电子束可以继续产生太赫兹辐射。因此，通过X射线辐射段4、太赫兹辐射段5可同时产生波长连续可调、高脉冲能量的相干太赫兹辐射和X射线自由电子激光。此时X射线与太赫兹辐射在同一光路上，且X射线位于前方。

如图5所示，X射线延迟系统6设置为接收太赫兹辐射段5产生的X射线-太赫兹辐射自由电子激光，并对X射线进行延时，以使太赫兹辐射位于X射线前方，满足太赫兹-X射线泵浦探测的要求。具体地，X射线延迟系统6包括第三分束片61，第三分束片61将X射线和太赫兹辐射分开。X射线延迟系统6还包括沿X射线所在光路依次排布的第一多层膜反射镜62、第二多层膜反射镜63、第三多层膜反射镜64、第四多层膜反射镜65和第二合束片66，以及沿太赫兹辐射所在光路依次排布的第四反射镜67、第五反射镜68和第二合束片66。即，X射线经过第一多层膜反射镜62、第二多层膜反射镜63、第三多层膜反射镜64、第四多层膜反射镜65后通过第二合束片66与太赫兹辐射汇合，太赫兹辐射经过第四反射镜67、第五反射镜68后通过第二合束片66与X射线汇合。与太赫兹辐射相比，X射线因多走光程而被延时。如此，X射线与太赫兹辐射可形成一段在100皮秒到30纳秒之间可调的延时，可以根据太赫兹-X射线泵浦探测要求进行调节。

在本实施例中，第三分束片61和第二合束片66均为中心孔大小为1毫米的平面镜。X射线辐射段4产生的X射线的发散角约为10微弧度-50微弧度，太赫兹辐射段5产生的太赫兹辐射的发散角约为1毫弧度-10毫弧度，当X射线和太赫兹辐射同时通过第三分束片61和第二合束片66时，X射线可以完全通过，而太赫兹会被反射。此外，多层膜反射镜会降低X射线的强度并限制X射线的波段范围。

由此，本发明在一条波荡器线上同时产生X射线和太赫兹辐射，并能够有效控制X射线和太赫兹辐射之间的时间延迟，可满足太赫兹-X射线泵浦探测实验要求。与现有技术相比，本发明的装置具有电子束利用率高、辐射亮度高、太赫兹辐射频率调节范围大、调节简单、光谱带宽窄等优点。

因而，产生基于自由电子激光的太赫兹-X射线的方法，包括以下步骤：

步骤S1，提供上述基于自由电子激光的太赫兹-X射线产生装置，利用超快激光器7产生30飞秒至200飞秒的超快激光脉冲，第一分束片9将超快激光脉冲分为第一路超快激光71和第二路超快激光72。

步骤S1还包括：注入器1利用第一路超快激光71通过光电效应在光阴极电子枪中产生电子束，随后该电子束立即被加速结构加速至相对论能量，通过改变加速场电压和相位，电子束的能量可以在50兆电子伏特至150兆电子伏特之间调节。

步骤S1还包括：第二路超快激光72通过脉冲展宽与分束系统8产生带有太赫兹信号的双脉冲激光。双脉冲激光的脉冲间距和脉冲长度(即能量啁啾)都可以连续调节，如上文所述，通过调节双脉冲激光的脉冲间距和能量啁啾可以调节太赫兹信号频率。

步骤S2，将双脉冲激光传输至激光电子束调制系统2，电子束与双脉冲激光相互作用，以在电子束的纵向分布中产生与双脉冲激光频率特性一致的能量调制。

步骤S3，将电子束传输至直线加速段3中的第一加速单元31，以将电子束加速到200兆电子伏特至300兆电子伏特，通过磁压缩器32将电子束的能量调制转换为密度调制以形成太赫兹波段的微群聚，并通过第二加速单元33将电子束加速到1.3到1.5吉电子伏特。

步骤S4，带有太赫兹密度调制的电子束通过X射线辐射段4和太赫兹辐射段5产生X射线和太赫兹辐射，此时X射线在太赫兹在同一光路上，且X射线位于前方。

步骤S5，将X射线和太赫兹辐射传输至X射线延迟系统6，使X射线引入一段时间延迟，从而使太赫兹位于X射线前方，X射线与太赫兹辐射形成一段在100皮秒到30纳秒之间可调的延时，满足太赫兹-X射线泵浦探测的要求。

本发明的有益效果是：

1)本发明提供的装置通过调节双脉冲激光的脉冲间距和能量啁啾就可调节太赫兹信号频率，产生0.1太赫兹-60太赫兹的太赫兹辐射，可调谐性强、光谱带宽窄、相干性好。

2)本发明提供的装置通过高增益自由电子激光的过程，可以产生毫焦量级的相干太赫兹辐射的同时产生X射线自由电子激光，满足太赫兹-X射线泵浦探测的要求。

3)本发明提供的装置通过X射线延迟系统调节X射线与太赫兹辐射延时，可以实现精确的太赫兹-X射线泵浦探测。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。