自由电子激光

摘要： 太赫兹自由电子激光(FEL)是获得高功率太赫兹辐射的重要途径,目前运行的太赫兹FEL装置基本上都采用振荡器结构,若采用FEL放大器模式,则可产生具有更高峰值功率的太赫兹辐射。本文以北京大学超导电子直线加速器的束流参数为基础,通过模拟分析确定了太赫兹FEL放大器对太赫兹种子源、电子束流及波荡器等的要求。模拟结果显示,太赫兹种子的峰值功率在10 W以上即可实现太赫兹FEL放大;在较易实现的参数条件下,可获得峰值功率数兆瓦的太赫兹辐射。

摘要： 本文主要介绍了上海硬X射线自由电子激光装置的准直器设计。由于异常束损的功率很高,选用低原子序数的钛合金作为挡块材料,同时为了缩短挡块长度,采取了钛合金和铜沿束流方向上下游排布的双段式结构。FLUKA模拟表明电子在挡块内的电磁级联过程产生大量的次级粒子,对挡块的有限元分析表明异常束损会导致挡块内最高温度达到550°C左右,最高应力不超过材料的屈服强度。

摘要： Nature基于激光尾波场加速器的27nm自由电子激光《自然》(Nature)封面:基于激光尾波场加速器的27nm自由电子激光。《自然》杂志第7868期封面文章报道了X射线自由电子激光(free-electron laser,FEL)研究进展。FEL对于结构生物学和化学等领域必不可少,它能以标准台式激光器无法达到的频率产生高强度的相干辐射束。研究团队利用一个激光尾波场加速器(通过等离子体波加速电子)的电子束成功产生了相干辐射,将辐射功率提高了约100倍,这意味着在气体喷流末端仅6毫米处就能实现电子产生激光的正确条件,这比之前的数据缩短了数个量级。

摘要： 软X射线自由电子激光(FEL)光栅单色器的设计是个多目标优化任务,涉及到能量分辨能力、脉冲展宽、光斑投影大小、物距、像距、光栅线密度、光栅变线距等众多参数,优化起来十分复杂。本文提出了光栅单色器的统一优化方法模型,该模型把多目标优化任务转化为单目标(光栅焦点常数C;)优化任务。基于该模型,本文对比了三种软X射线FEL光栅单色器设计方案,并直观地对单色器能量分辨能力、脉冲展宽和光斑在光栅上投影大小进行评估。此外对这三种光栅单色器的设计方案进行了详细的计算,并绘制出了"C;-波长-优化参数"三元图。通过"C;-波长-优化参数"三元图,能够清晰地得到光栅单色器的能量分辨能力、脉冲展宽和光斑投影大小随着C;变化而变化的趋势。本项工作为光栅单色器的设计和优化提供指导作用。

摘要： 针对中物院高功率太赫兹自由电子激光(THz FEL)装置,结合FEL光腔振荡器实验的实际情况,提出了全波导近共心谐振腔设计方案。完成了THz波段波导光腔对光腔品质影响的理论分析和模拟计算,确定了波导设计尺寸为14 mm和22 mm。同时针对最初实验调试过程中无法出光饱和的问题,提出将波导更换为22 mm大尺寸波导的建议,波导更换后很快在2.56 THz获得饱和出光。另外针对实验频段无法覆盖到1~2 THz的问题,我们通过波导内壁粗糙度进行分析判断,提出采用14 mm铜材质的全波导FEL振荡器的设计方案,采用该方案后,实验成功将辐射频段拓展到0.7~4.2 THz,获得饱和输出。

摘要： 现代光源的发展不断推动着人们从更深层次上理解物质的基本结构和动力学行为。X射线自由电子激光作为最先进的光源,其超高的峰值功率、超短的脉冲长度和优良的相干性,为人们以原子级时空分辨率探测和操控物质中的超快过程提供了可能。目前全世界已有多个X射线自由电子激光装置建成并投入使用,在原子分子物理、化学、生命科学、材料科学等各学科应用中都显示出了重要价值。同时大量的研究工作也集中于继续提高X射线自由电子激光的性能,包括把脉冲持续时间从fs量级进一步缩短至as量级,这将为超快科学的发展带来新突破。以超快脉冲产生为主线,综述了近年来超快X射线自由电子激光产生方案的研究进展,从产生原理、方案特性、最新成果等方面介绍了各类产生方案,总结对比了各方案的优缺点,最后对超快X射线自由电子激光的未来发展方向进行了展望。

摘要： 单谐振腔束团长度监测器利用谐振腔内的两个本征模式测量ps量级的电子束团长度,它的关键是如何将两个不同频率的模式互不干扰地耦合提取出来。为解决这个问题,基于低通和带通滤波器的理论,提出了同轴滤波耦合结构和膜片加载波导滤波结构,借助CST微波工作室对滤波器进行建模并仿真得到其S参数。为测试耦合器的应用效果,设计了一套带有该耦合结构的单谐振腔束团长度监测器探头,根据国家同步辐射实验室基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置FELiChEM的束流特点,在CST内对所设计的探头进行束流模拟仿真。仿真结果表明,该耦合器可以实现对特定模式的耦合,并有效降低其它模式的干扰,采用同轴滤波耦合结构和膜片加载波导滤波结构的谐振腔监测器可以实现对FELiChEM装置束团长度的高精度测量,测量误差小于2%。

摘要： 自由电子激光作为一种频谱覆盖范围极宽、亮度极高的相干光源,在量子材料、能源催化、生物医药、原子物理等前沿科学领域发挥着不可替代的作用,是支撑当代科学研究的重要利器,也是世界上各主要国家着力发展的最重要大科学装置之一。

摘要： 太赫兹电磁波在材料表征、医学成像、无线通信、安全检测等领域有广泛的应用前景,是当前科学研究热点之一。基于自由电子与周期性光栅结构相互作用产生的Smith-Purcell辐射的Smith-Purcell自由电子激光凭借其易加工、可调谐、高功率等优点成为发展高功率太赫兹源的有效途径之一。本文对太赫兹Smith-Purcell自由电子激光的近期研究进展进行了综述,对基于特异Smith-Purcell辐射新型Smith-Purcell自由电子激光以及基于预群聚电子注的Smith-Purcell太赫兹源进行了着重介绍,这两类新型太赫兹自由电子激光结构克服了传统自由电子激光的若干缺点,有望发展为具有重要应用前景的紧凑型、大功率太赫兹源。

摘要： 上海软X射线自由电子激光用户装置(SXFEL)是我国首台可以运行在水窗波段的自由电子激光装置,未来可以为5个实验线站供光,其主要运行模式为自放大自发辐射模式以及外种子模式。本文就SXFEL的外种子模式进行了从头到尾的模拟研究,主要包括EEHG-HGHG混合级联与单级EEHG两种方案。模拟结果表明,虽然EEHG-HGHG混合级联模式较为复杂,但能够产生更高功率的高次谐波辐射。除此之外,我们还研究了各种三维效应对EEHG的影响。模拟和分析结果表明,通过上述两种方案,采用紫外波段的种子激光,用户可以得到全相干、窄带宽、短脉冲的水窗波段自由电子激光。

摘要： 基于同轴静磁波荡器和强流低能环形电子束的自由电子激光具有产生高频率、高功率和高效率电磁波的潜力.本文分析了电子束流对辐射功率、束波互作用腔长度和转换效率的影响规律,研究了同轴静磁自由电子激光中的电子束最优平均半径的选取原则,验证了电子束稳定传输所需要的波荡器磁场强度,分析了束波互作用腔尤其是输出结构的设计方法.设计了辐射频率为107GHz的同轴静磁自由电子激光,在电子束电压为720kV,电子束流为1kA的情况下,获得了辐射功率35MW的TE01模,束波转换效率为4.9％.

摘要： 波荡器是基于自由电子激光的THz源的关键部件.为了验证波荡器性能要求的可行性以及积累工程经验,先试制一台试验波荡器.借助OPERA3D电磁场有限元计算软件,逐步优化波荡器的各个结构参数,最终满足对于峰值场强、好场区宽度和一次积分的要求.同时通过计算,证明校正磁铁可以使二次积分要求得到满足.在完成加工和验收之后,根据实际测量的波荡器磁场分布计算了电子运行轨迹.

摘要： 基于自由电子激光(Free Electron Lasers,FEL)的THz源因其具有波长连续可调、高效率和高的峰值功率与平均功率等独特的优势而成为研究热点。本文对基于FEL的THz源进行了初步的设计,采用一维FEL波荡器代码FELO程序进行了仿真,验证了设计的可行性。

摘要： 合肥软X射线波段自由电子激光项目是基于直线加速器的软X射线光源.其注入器由光阴极微波电子枪与两个直线加速3米段构成.光阴极微波电子枪产生束团电荷量1nc、峰值流强100A、重复频率10Hz电子束流,并利用螺线管磁场在其出口处进行发射度补偿,在经过一段漂移距离后电子束流进入增强直线段加速.使在低能端由于空间电荷效应产生的横向发射度增长基本被完全补偿.本文中利用PARMELA对注入器进行了模拟计算,对发射度的补偿效果进行了优化,同时对注入器内各元件的布置也进行了优化.在注入器出口可以得到归一化横向发射度小于1.5mm·mrad的低发射度束流.

摘要： 本文的研究方向主要是强场超快原子分子光物理（理论与计算），指出在强场原子电离方面，主要包括电离超快动力学；电子关联及调控；电离过程数值方法研究，对高次谐波辐射产生机制及相干调控进行了分析，指出基于自由电子激光的超快分子动态结构成像方法是超快光电子散射方法。

摘要： 基于自由电子激光(FEL)技术的太赫兹(THz)源是实现大功率THz源的最佳途径之一.对于THz这一特殊的频段,为实现理想的THz输出,必须合理的设计光学谐振腔.本文针对拟设计的波长为0.3 mm的THz源,分析了THz源光腔的特殊性及其设计中的一些关键问题.

摘要： 曲柄式磁压缩系统是北京大学SASE自由电子激光装置中非常重要的部分,通过其对电子束团的压缩为扭摆器提供高流强、短脉冲的电子束,使电子束在扭摆器内较短的距离实现饱和出光.曲柄式磁压缩需要利用偏离高频峰位的加速相位使得电子束产生能量-位置关联,本文主要讨论高频相位抖动与能量-位置关联的相互关系,进而研究其对磁压缩性能的影响.

摘要： 本文介绍了基于Web的上海深紫外自由电子激光(SDUV-FEL)工程数据库系统的设计与开发。该系统将存储和提供SDUV-FEL中涉及的静态数据和存档数据,建立了一个合理而有效的SDUV-FEL数据共享平台,为设备和科研人员提供了一个可用且可靠的数据来源。

摘要： 为了满足材料、生物医学等研究的需要，中国工程物理研究院(中物院)提出了高平均功率THz.FEL用户装置研制项目，2011年国家科技部批准了该项目。中物院应用电子学研究所联合北京应用物理与计算数学研究所、北京大学、清华大学等单位，将利用5年时间完成装置研制工作。该装置采用准连续波运行的工作模式，太赫兹平均功率约10瓦。通过调节电子束能量和摇摆器的磁场强度，装置的输出波长可以在100μm(3THz)到300μm(1THz)进行调节，以满足不同用户的研究需要。本论文介绍了中物院正在开展的高平均功率THz-FEL科研装置研究情况，主要包括装置的技术指标、技术路线、装置的组成、各分系统的技术方案等。

摘要： 为了满足材料、生物医学等研究的需要，中国工程物理研究院(中物院)提出了高平均功率THz.FEL用户装置研制项目，2011年国家科技部批准了该项目。中物院应用电子学研究所联合北京应用物理与计算数学研究所、北京大学、清华大学等单位，将利用5年时间完成装置研制工作。该装置采用准连续波运行的工作模式，太赫兹平均功率约10瓦。通过调节电子束能量和摇摆器的磁场强度，装置的输出波长可以在100μm(3THz)到300μm(1THz)进行调节，以满足不同用户的研究需要。本论文介绍了中物院正在开展的高平均功率THz-FEL科研装置研究情况，主要包括装置的技术指标、技术路线、装置的组成、各分系统的技术方案等。

摘要： 一种用于提供电子束的注入器装置。注入器装置包括用于提供电子束团的第一注入器和用于提供电子束团的第二注入器。注入器装置可操作为以电子束包括仅由第一注入器提供的电子束团的第一模式和电子束包括仅由第二注入器提供的电子束团的第二模式操作。

摘要： 一种用于提供电子束的注入器装置。注入器装置包括用于提供电子束团的第一注入器和用于提供电子束团的第二注入器。注入器装置可操作为以电子束包括仅由第一注入器提供的电子束团的第一模式和电子束包括仅由第二注入器提供的电子束团的第二模式操作。

摘要： 本发明涉及一种自由电子激光系统，包括生成能够在第一传播方向(Oz)上传播的相对论性电子(21)的包(20)的装置(2)，和生成能够与相对论性电子(21)的包(20)进行相互作用的变换器光束(30)的装置(3，3′)。在该系统中，变换器光束(30)在被包(20)的传播方向(Oz)贯穿的相互作用区域(4)由在不同方向上传播的且每个都在与所述包(20)的所述传播方向(Oz)正交的平面内具有至少一个非零分量的至少两条激光束(31，32)结合产生。本发明还涉及包括俘获和引导被注入相互作用区域(4)的相对论性电子(21)的包(20)而生成自由电子激光束并实现这样的自由电子激光系统的方法。

摘要： 本发明公开了一种用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔及激光器，光学谐振腔包括：上游反射镜、平面反射镜和下游反射镜呈三角形分布设置于真空室内；上游反射镜与平面反射镜之间的光路通过真空管道与光波导连接，光波导外侧设置波荡器；平面反射镜与下游反射镜之间的光路通过真空管道连接；下游反射镜与上游反射镜之间的光路通过真空管道连接；上游反射镜的中心部位设有中心耦合输出孔；上游反射镜与平面反射镜和下游反射镜之间构成三边环形光路的光学谐振腔。在不影响光谱间隙以外波长的耦合输出功率的情况下，本发明大大改善光谱间隙处耦合输出功率低的问题，从而提升了振荡器型自由电子激光器的整体性能。

摘要： 本发明涉及一种基于双电子注双光栅的太赫兹自由电子激光源。包括两组参数完全一致的电子枪、金属矩形光栅和收集极；两只电子枪分别与两只收集极相对应，一根金属矩形光栅位于一侧的电子枪和收集极之间，另一根金属矩形光栅位于另一侧的电子枪和收集极之间，两根金属矩形光栅呈对称状；两根金属矩形光栅组成一个变异的开放谐振腔。电子枪产生的匀速带状的电子注掠过金属矩形光栅的表面，最后进入收集极；两个电子注分别在金属矩形光栅表面产生两个沿垂直方向的特异Smith‑Purcell辐射波，两个特异Smith‑Purcell辐射波在两根金属矩形光栅之间来回反射形成开放谐振腔中的谐振模式，并转化为电磁波能量，电磁波能量被放大并最终通过端口输出。

摘要： 本发明涉及一种自由电子激光系统，包括生成能够在第一传播方向(Oz)上传播的相对论性电子(21)的包(20)的装置(2)，和生成能够与相对论性电子(21)的包(20)进行相互作用的变换器光束(30)的装置(3，3′)。在该系统中，变换器光束(30)在被包(20)的传播方向(Oz)贯穿的相互作用区域(4)由在不同方向上传播的且每个都在与所述包(20)的所述传播方向(Oz)正交的平面内具有至少一个非零分量的至少两条激光束(31，32)结合产生。本发明还涉及包括俘获和引导被注入相互作用区域(4)的相对论性电子(21)的包(20)而生成自由电子激光束并实现这样的自由电子激光系统的方法。

摘要： 本发明公开了一种用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔及激光器，光学谐振腔包括：上游反射镜、平面反射镜和下游反射镜呈三角形分布设置于真空室内；上游反射镜与平面反射镜之间的光路通过真空管道与光波导连接，光波导外侧设置波荡器；平面反射镜与下游反射镜之间的光路通过真空管道连接；下游反射镜与上游反射镜之间的光路通过真空管道连接；上游反射镜的中心部位设有中心耦合输出孔；上游反射镜与平面反射镜和下游反射镜之间构成三边环形光路的光学谐振腔。在不影响光谱间隙以外波长的耦合输出功率的情况下，本发明大大改善光谱间隙处耦合输出功率低的问题，从而提升了振荡器型自由电子激光器的整体性能。

摘要： 本发明提供了一种用于自由电子激光器(FEL)或同步辐射源(SRLS)的电子注入器。其中，本发明的电子注入器包括真空腔、电子发生器、装设在该真空腔内的电子加速器，真空腔上设有一电子束出射口。电子发生器包括一激光器和一装设在真空腔内的光阴极盘，光阴极盘上设有若干个子光阴极。光阴极盘通过一支撑装置活动式装设在真空腔内，并能使激光器发出的激光束聚焦在不同的子光阴极上。本发明提供一种结构简单、操作方便、寿命长和可在线更换光阴极的用于自由电子激光器(FEL)或同步辐射源(SRLS)的电子注入器，以解决现有自由电子激光器(FEL)或同步辐射源(SRLS)的注入器结构复杂、光阴极使用寿命短的缺陷。

摘要： 本发明涉及一种基于双电子注双光栅的太赫兹自由电子激光源。包括两组参数完全一致的电子枪、金属矩形光栅和收集极；两只电子枪分别与两只收集极相对应，一根金属矩形光栅位于一侧的电子枪和收集极之间，另一根金属矩形光栅位于另一侧的电子枪和收集极之间，两根金属矩形光栅呈对称状；两根金属矩形光栅组成一个变异的开放谐振腔。电子枪产生的匀速带状的电子注掠过金属矩形光栅的表面，最后进入收集极；两个电子注分别在金属矩形光栅表面产生两个沿垂直方向的特异Smith‑Purcell辐射波，两个特异Smith‑Purcell辐射波在两根金属矩形光栅之间来回反射形成开放谐振腔中的谐振模式，并转化为电磁波能量，电磁波能量被放大并最终通过端口输出。

摘要： 本实用新型提供一种自由电子激光的紫外飞秒种子激光脉冲宽度测量装置，包括依次相连的输出探针光的振荡器、输出待测光的放大器、三倍频器和测量光路，测量光路包括依次排布的三个高反镜、合束镜、可切换的β‑BBO和频/倍频晶体、色散棱镜、带通滤波片、光电倍增管；合束镜位于待测光与探针光的光路交点，探针光的波长为800nm，待测光的波长为266nm，和频晶体的厚度至多为0.1mm，切割角为44.3°，倍频晶体的厚度至少为0.5mm，切割角为29.2°。本实用新型的激光脉冲宽度测量装置时间分辨率高，测量的准确性高；通过共线结构设计，节省了光学平台的空间，可作为紫外飞秒激光脉宽的在线诊断装置，进行实时监测。