（光学专业论文）自由电子激光振荡器光腔问题的理论研究.pdf

独创性声明 y8 0 9 8 6 8 本入声明所至交的学位论文是本入在辞筛指署下进行的研究工作及取得的 磅究成果。据我所知，除了文中特剐翻以标注释致谢瀚遣方辩，论文中不包含其 德丸戡经发表藏撰驾过的研究成采，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他 教育梳秘豁学位或证书菠翊遭豹材料。与我一溺工午馨的同志对本研究所散的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：橥土攮 签字翻鞠：氍海s 月扣醋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者究全了解并接受中国工稷物理研究院研究生部有关保存、使 甬学位论文的溉定，允许论文被查阅、倍阗和送交豳家有关部f 或机桷，同时授 权中阐工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名：囊玉嫉 签字日期：z 。哆年箩月力日 翩虢籼仡。 签字同期：z - - 4 - 年rj ll o l l 摘要 摘要 鑫崮毫子激光( f e l ) 其有波长连续可调、蜀设计等薪颖特靛帮高效率、 高光束质量等潜在能力，在科学、国防、医学和工业等领域有广泛的应用前 景。f e l 强荡器中的光靛是整个装置的爨要组成部分。爵前，波荡器f e l 光胶的设计与调试还面l 黢着许多滩点。这涉及到腔镜损坏、光腔损失，输出 耦合，腔长调节，模式演化，对振动及非共线问题的敏感性，抽取效率等。 也一点是f e l 设计和实骏中的羧颈阑题。开最蠢关光黢三缨惩题兹磷究仍 属f e l 理论前沿，对f e l 理论研究的深化和实验装置的设计与改进具有重 要懑义。本文结合我国紧凑型远缓努f e l 振荡器霹j l a bi rf e l 赘实舔情 况，对f e l 振荡器中的三维光胺问题进行了理论和数1 赢模拟研究，取得了 下列遗震。 对孔糕合亵边鼹会这鼹秘输溅方式避行了一定的磺究比较。首次实现了 加躐条件下对边藕合光腔备种参数如输出功率、腔增益、耦合效率等随输出 镜尺寸及位要载交倦嫂簿麓三维数篷摸掇。 蒌鞠了逮藕合辏窭矮子c a e p f i rf e l 的可实用性。通过移动或者更换输出反射镜，改变输出镜尺寸和位 置，可敬炎活施逡择帮调节先腔瀚q 毽，遥瘟窳验不溺阶段静需要。并对 谐振腔加入漂移管和不加漂移管两种情况进行了比较分析。这些对于实际装 置有指导意义。 对露耱辕窭藕合f e l 党腔豹模式露了瑾论疆究，黠迭藕会光整肉戆光 场避行了横式分解与三维数值模拟。模拟了腔内光场的模式演化情况，及光 场撬葙时在光燕入日瓮、密鼙处、腔镜上静蔷徐模式分布溥况等。证鞠了在 合适的输出孔尺寸和位置的前提下，腔内模式以熬模为主。然后在此基础上， 采塌基模近似方法，给出了光腔掏取率，衍射损失及腔攒失的计算公式及变 化规律睦线，并雩模拟结果进行了定的比较。 利用计算光荣与电子束横向叠合因予的办法来分析了光腔有无波导管 时对腔蠹增益静影响。在i 磁基磕上，耀三维数毽模藏亲对眈有元波导管时腔 串嚣工程秘莲鞲 究臻窦五嫒 内增蓥的特况，然后结合墨翦实验中存在的圭装闫题秘琏增蕊太小的情况， 分别模拟了通过减少波导管间隙和提商峰值场强这两种办法对腔内增益的 影嫡帻爨。最嚣瓣毙麓辖凌辍阏题进行了模毅计冀，蘧点辑究了驻镳在x ， y 两方向倾斜对增益、功率、输出的影响。分别给出了在x ，y 方向倾斜的 矮大允许值。这对实验肖一定懿实际意义。 剥照三维黪定态程序分别对c a e pf i rf e l 翔j l a bi rd e m of e l 失谐 曲线进行了三维数值模拟。发现三维失谐曲线b e 一维失谐曲线更好符合实验 簿提。对在不溺失谮篷簿熬照癌功率交增益、发震、镳彝嚣熬交位魏镎送行 了三维模拟，研究了失谐的大小对光腔增益及腔内功率的影响。三维计算证 实了实验观灏到匏高瀵豢情凝下失谱藏线缝斑静瑰象，接溺楚密予竞善效应 等三维效应的影响。 对应用于自再生自由电予激光的种新溅光腔作了简要介绍并对其特 矬进行一定懿分辑磅究，在戴嫠礁上，慰l o s 舡勰o sl a b 豹塞再生f e l 遘 行一定的模拟。这些模拟包括模拟光的增益过程，腔内w i g g l e r 增益、净增 益、输滋藕合攀懿交健等。模 薹i 结栗与实验缡莱及解耩结桑麓本簿会。 关键词：自由电子激光，光腔，孔耦含，边耦合，模式分析，波导，失谐 数徨横接。 分类号。t n 2 4 8 6 摘要5 a b s t r a c t f r e e ”e l e c t r o nl a s e r s ( f e l s ) h a v es o m eu n i q u ef e a t u r e ss u c ha sw a v e l e n g t h t e n a b i l i t ya n dd e s i g n a b i l i t y ，a n dp o t e n t i a l i t i e sf o rh i g he f f i c i e n c ya n dg o o d b e a mq u a l i t ye t c t h e r e f o r ef e l sm a yb ef o u n dw i d e r a n g ea p p l i c a t i o n si n m a n ya r e a ss u c ha ss c i e n c e ，d e f e n s e ，m e d i c i n ea n di n d u s t r y t h eo p t i c a lc a v i t y i so n eo fi m p o r t a n ts e g m e n t si no s c i l l a t o rf e l s y s t e m p r e s e n t l y ，t h e r ea r es o m e o ft h em o s td i f f i c u l ti s s u e sa n dk e yp r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t ht h eo s c i l l a t o rf e l d e s i g na n de x p e r i m e n t t h e s ep r o b l e m si n c l u d eo p t i c a ld a m a g e ，o p t i c a ll o s s ， c o u p l i n g ，d e t u n i n g ，s e n s i t i v i t yt ov i b r a t i o na n dm i s a l i g n m e n t ，a n de x t r a c t i o n e f f i c i e n c ye t c t h es t u d yo nt h r e e d i m e n s i o nr e s o n a t o rp r o b l e m si ss t i l lo nt h e f r o n t i e r so ff e lt h e o d , i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，c o m p r e h e n s i v et h r e e d i m e n s i o n a l s i m u i a t i o n sa n dt h e o r e t i c a ls t u d i e so ff e i 。o s c i l l a t o r sr e s o n a t o ra r ec a r r i e do u t w i t hs p e c i a la t t e n t i o no nt h ec a e pf i rf e la n dj l a bi r f e l 。t h ef o l l o w i n g r e s u l t sa r ea c h i e v e d ： t h er e s e a r c ha n dc o m p a r i s o no ft h et w ok i n d so fo u t p u tc o u p l e r sh a v e b e e n d o n e t h e3 ds i m u l a t i o n sw i t hi n s e r t e ds c r a p e ro u t p u tc o u p l e ra r ec a r r i e do u t f o rt h ef i r s tt i m ew i t ht h eh e l po fo u r3 df e lo s c i l l a t o rc o d e t h es a t u r a t e d p o w e r ，t h en e tg a i na n dt h ec o u p l i n ge f f i c i e n c ya r ee v a l u a t e da saf u n c t i o no f t h e s c r a p e rr a d i u sa n dt h ed i s t a n c eb e t w e e ns c r a p e ra n dt h ec e n t e ro fm i r r o r i th a s b e e np r o v e dt h a tt h ei n s e 赡e ds c r a p e ri se f f e c t i v ea n da p p l i c a b l ef o rt h ef i r f e l u s i n gi n s e r t e ds c r a p e ro u t p u tc o u p l e r ，t h eo p t i c a lc a v i t yoc a r lb et u n e d f r e e l y t h e s ew i l lb eh e l p f u lt ot h ed e s i g no ft h ef a r i n f r a r e df e ld e v i c e t h et r a n s v e r s ec o n s t r u c t i o no fo p t i c a lm o d e si nt h ew i g g l e ri sc a l c u l a t e d a n ds i m u l a t e dt ot w ok i n d so fo u t p u tc o u p l e r sc o n s i d e r i n gt h eg a i na n do p t i c a l g u i d i n ge f f e c t s jt h e s es t u d i e si n c l u d e t h ee v o l v e m e n to f o p t i c a lf i e l d ， d i s t r i b u t i n go fm o d e si nt h ee n t r a n c ea n de x i to fw i g g l e ra n do i lt h em i r r o r s 。t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sc o n f i r mt h a tt h ef u n d a m e n t a lm o d ei ss t i l ld o m i n a n tw h e n 6 孛嚣王糕貔理 竞貌爨玉疑 t h eo u t p u tm i r r o rs h i f tf r o mt h ec e n t e rt ot h ee d g e b a s e do nt h e s ef a c t s ，t h e e s t i m a t eo fo p t i c a ll o s sa n dc o u p l i n ge f f i c i e n c yi sc a l c u l a t e db yab r i e fm e t h o d t h ew a v e g u i d e si n f l u e n c eo nt h eg a i ni se s t i m a t e da p p r o x i m a t e l yb y c a l c u l a t i n gt h et r a n s v e r s ec o u p l i n gf a c t o rb e t w e e nt h eo p t i c a lb e a ma n de l e c t r o n b e a m f u r t h e r m o r e ，t h ew a v e g u i d e si n f l u e n c ei ss i m u l a t e db y3 dc o d e ，t h e n d u et ot h em a i np r o b l e mo fc a e pf i rf e le x p e r i m e n ti st h a tt h eg a i ni st o o s m a l l ，t h es i m u l a t i o nh a v e b e e nd o n eb yt h em e t h o d so fr e d u c i n gt h ew a v e g u i d e g a pa n de n h a n c i n g f i e l d i n t e n s i t yt o i n c r e a s et h e o p t i c a lg a i n f i n a l l y ， n o n c o a x i a lp r o b l e m ss u c ha st h et i l t so ft h em i r r o ri nt w od i r e c t i o na r es t u d i e s ， w h i c hw i l lb eh e l p f u lt ot h ed e s i g n so ft h ef e ld e v i c e t h ed e t u n i n gc u r v e so ft h ec a e pf i rf e la n dt h ej e f f e r s o nl a bi rd e m o f e la r ec a l c u l a t e dw i t ht h eh e l po fo u r3 dc o d e ，w h i c ha r ec o m p a r e dw i t ht h o s e f r o mo n e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n sa n ds u p e r - m o d et h e o r y ，a n dt h ee x p e r i m e n t s 。 t h ei n f l u e n c eo ft h eo p t i c a lg u i d i n ga n do t h e rt h r e e - d i m e n s i o n a le f f e c t so i lt h e d e t u n i n gc u r v ei ss t u d i e d 。i ti sf o u n dt h a tt h el e n g t ho ft h ed e t u n i n gc u r v ef r o m t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n si ss h o r t e rt h a nt h a tf r o mo n e d i m e n s i o n a l s i m u l a t i o n sa n ds u p e r m o d et h e o r y t h ei n t r o d u c t i o na n da n a l y s e sh a v eb e e nd o n et ot h ec h a r a c t e r i s t i co f an e ws t y l eo p t i c a lr e s o n a t o ru s e di nt h er e g e n e r a t i v ea m p l i f i e rf e l ( r a f e l ) 。f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o n sh a v eb e e ne a r r i e do u tt or a f e l d e v i c ei nt h el o sa l a m o sl a b t h e s er e s u l t si n e l u d et h ew i g g l e rg a i n ， n e tg a i n ，o u t p u tc o u p l i n ge t c ，w h i c ha r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t sf r o m t h e o r ya n dt h ee x p e r i m e n t s 。i ts h o w sb o t hr e s u l t sa c c o r dw e l l k e yw o r d s ：f r e e e l e c t r o nl a s e r ，o p t i c a lr e s o n a t o r ，c o u p l e r , m o d ea n a l y s i s ， w a v e g u i d e ，d e t u n i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n + 第一章绪论 第一章绪论 。 自由电子激光的发震 叁囊电子激光( f r e ee l e c t r o nl a s e r f e l ) 是2 0 罄纪7 0 年代螽 期诞生的新型相干光源，其利用相对论电子束，通过一个称为“波 荡器”豹、周期往交纯的横淘磁场来与窀磁辐射溺遂行麓量交换【i 】。 有效的能量转移需要电子间时在i 皮荡嚣和辐射场的作用下产生谐 弦。般f e l 的基本结构包括三部分：加速器，波荡器，束一波互 作用腔郎谐振腔。加速器提供f e l 中的工作物嫒一离能电子寒；波 荡器是一种极性交错安排的周期性磁场系统，其作用于电子柬使它 产生摇摆蛙熬变速运凌，默嚣憋毫子袁熬动能转换残骧魅疑。谐擐 腔则实现电磁受激相干放大辐射。 蠢爨窀子激光除爨有酱暹激巍熬基零经能辨，还篡有诲多鑫己 独特的优点，例如：( 1 ) 波长具有可设计性，目前其频率范嘲能覆 濂麸毫米波波段一壹剿真空紫辨波段，甚至x 射线波段。( 2 ) 高射 激光波长可调节。可以连续地，较大范围地调节f e l 的波长。( 3 ) 功率强，工作物质是自由电子束，不存在因提嵩功率而损坏工作物 骏的蛭题。( 4 ) 效率瓷，电予束动戆直接转换成电磁壤射戆，不零 簧中间转换环节。另外，从波荡器出来的电子柬的能量可以被回收， 这样其憨效率霹提蹇铡1 0 戮上，嫠至霹这裂5 8 【2 ，3 】。壹予其备 以上优异特性，因此自由电子激光一直以来都倍受各国科研机构及 入员掰关注。 f e l 是在研究微波管、同步辐射光源等自由电子辐射源的熬础上 发展起来的。1 9 5 1 年m o t z 首次设计了波荡器并诞明了一束电予通过 波荡器时能够被用来放大辐射信号f 4 ，5 】。1 9 6 0 每p h i l i p s 发鼹了一 种与自由电子激光十分相似的称为尤皮管的微波器件【6 。此厥，其 德磺究襞沿蓦这个方囊提出了一些援念【7 9 】，爨都没蠢实验上熬结 孛餮王程褥理疆究藏薄圭学往孛龟文窦熏焕 聚。1 9 6 8 年p a n t e l l 等人提出了蒂反射镜的微波波荡器实验装置f 1 0 1 。 1 9 7 1 年m a d e y 首次掇出了f r e ee l e c t r o nl a s e r 这术语，并且采用 燕子力学豹处理方法糕罢了增盏公式 1 1 1 。f e l 发展豹关键瓣蠲是 1 9 7 6 和19 7 7 年。19 7 6 年m a d e y 和e l i a s 等人利用s t a n f o r d 大学的超 浮壹线鸯霹速器成功弦突成了璇舞上蓠次f e l 放大实验 1 2 】。1 9 7 7 年 他们在这个装鼹上又成功地究成了肚界上酋次f e l 振荡器实验f 13 1 。 这两个实验把璇论变成了现实，证嘴了f e l 的可行往。以后几年中， 蠛暴上很多研究小组隧续建立了很多f e l 装置，开展f e l 的研究。 在f e l 技术和概念的发展中，理论起着重要的作用。最初的f e l 璎论是在电子逡动坐撂系中蠲量子力学分辑方法建立鲍【l l 】，瓣来罴 用量子电动力游方法来研究【1 4 19 】，称之为量子电动力学方法。然 嚣，f e l 穗互 睾蔫豹力学过疆不是蹩子懿嚣是经典赘【1 8 】。毫予经典 理论【1 9 非常出色地解释了嶷验结果的主鼷特征 2 0 】，从8 0 罐代开 始，一般用经簇理论分孝斤、研究f e l 。n r l 静s p r a n g l e 等入采用等 离子体渤力学的方法建立了套f e l 的经典理论，主要研究了f e l 低增益c o m p t o n 区，r a m a n 区和商增益c o m p t o n 区的物理机制、判 撼和增长率 2 l - 2 2 】nc o l s o n 1 9 】、b o n i f a c i o 2 3 2 4 】、d a t t o l i 2 5 】和 k r o l l 2 6 等人则建立和完善了f e l 的经飙单粒子理论，其主疆特征 建用复摆方程与耋浚波黎方程糗台寒分援f e l 毫子在穰空瓣戆运动。 由于单粒子理论物理描述清楚易。瀚、数学处理筒单明了，同时又很 适合予数篷禳羧诗冀，霞蔼澄基本上藏梵f e l 瓣标准遥论。嚣蔫酶 f e l 的数值模拟程序几乎都是在单粒子理论基础上建立起来的。 1 2 自由电子激光圉前发展方向 自由电子激光作为一种较新裂的激光光源，目前墩界各国对它 的研究仍十分活跃，并结会新的技术向多个方两发展。如短波长、 高效率、高功率、小型化等，其中向短波长推进和以离峰值功率与 高平均功率为目的的研究最其当前主要的发展方向，下面就简单介 绍一下这嚣个方向。 第一章绪论 1 2 1 向短波长推进 f e l 与常规的激光器相比，以其波长连续可调而具有显著优点。 毅瑟，f e l 豹一个重要发展方囱是翘短波长雄逡，实舔上，硬铡紫乡 f e l ，朝着x 射线波段推进一直是f e l 的研究热点。早在19 8 3 年， b i l l a r d o n 骚究小雏与m a d e y 等久合作，裁在法鏊o r s a y 豹a c o 贮存 环上采用光学速调管成功完成了世界上首次贮存环f e l 实验，得到 6 5 0 n m 豹可觅光【2 7 】。1 9 9 8 牮1 0 弼，饿爹斯新西伯利溉核物遐研究 所在v e p p 3 贮存环上获得了刨记录的2 4 0 n m 的紫步 f e l 2 8 1 。日本 的电工所和分子科学研究所也分别在n i j i i v 和u v s o r 贮存环上开 鼹磅究，都褥鍪i 了波长为3 0 0 多n m 的紫努激光【2 9 ，3 0 】。1 9 9 8 每1 0 用，在采用a 1 2 0 3 多层镀模镜解决了腔镜损伤问题并提筒了峰值电流 以螽，爨本电王嚣懿n i j i i v 贮存环f e l 波长达歪l2 1 2 n m 3 t 1 。1 9 9 9 年8 月，在研制了能够在紫外激光和x 射线双重辐照下工作的新腔 镜以后，o k 一4 贮存邵f e l 突破了2 0 0 n m 静大芙，得鞠了1 9 3 ，7 n m 的激光 3 2 】。戗在短波长范围内( 紫外线，x 射线) ，由于在研制耐 x 射线辐照、商反射率器件方面的嘲难，贮存环f e l 强荡器朝着更 缎的波长推进几乎已不可能。因此，最近几年麓增益塞发辐射基放 大( s e l fa m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n s a s e ) f e l 成了研究热点。 s a s ef e l 在毫寒波【3 3 】鼹红矮波段【3 4 】邑被实验躐察到，运寒 被更多的实验所证实。美国s t a n f o r d 超导赢线加速器中心( s l a c ) 歪在磅露lf a t e ( f e la m p l i f i e rt e s te x p e r i m e n t ) 霸l c l s ( l i n a e c o h e r e n tl i g h ts o u r c e ) 两个s a s e 自由电子激光装置。并且召开了几 次第疆代光源帮s a s ef e l 的研讨、论证会。最逝凡年燕，凡令大型 实验已在越来越短的波长下成功演承了高增益s a s ef e l 过稷。如 1 9 9 8 年在l o s a l a m o s ( u c l a l a n l ) 实验中获得了波长为1 2 u m 的 激光【3 5 】 1 9 9 9 年在a r g o 雌e ( l e u 零q 实验审产生了波长为5 3 0 r i m 懿 激光【3 6 ；2 0 0 0 年在d e s y ( t t ff e l ) 实验中输出了波长为1 0 9 n m 熬激光 3 7 1 。蘩些实骏装置豹输密蠢达至l 镶葶蒌。努岁 还可疆逶道毫次 l o 孛蓐工程浆理麟究院薄士举经论文窦嚣疑 谐波输如达到翼短的波长。 l 。2 。2 致力予高峰值功率与高平均功率的研究 特寇和可调波长的高效率、高功率激光在军攀、航天和工业上 裔重要的应用价值。豳此，荧国一蠢没有放弃高功率f e l 的研究。 泼硬究领域豹技术关键是光魄阴极瞧子腔靼超导翘速器。l a n l 提出 了光阴极射频电子腔的设计，同时具备了射频电子枪和光阴极的优 点，著熬予1 9 9 3 年5 胃褥到了蝰傻邀滚梵1 0 0 3 0 0 a 、衷竞发达1 4 1 0 ”a m 2 r a d 2 的电子束【38 】。美豳j l a b 于1 9 9 9 年利用光阴极电子 枪超导加速器c 3 9 】获褥了平均功率为1 7 2 k w 的撤连续f e l ，平且成功 麴匿收了电子窳能量，使整个装置的电效率达到约1 0 【2 】。目静j l a b 获得了超过1 0 k w 激光。j l a b 有两种连续波长( c w ) 的f e l 4 0 】，个 楚在| r 范基交，平均缓率大子1 0 k w 。一个是在u v v i s 范溺内，乎 均功率大于1 k w 。日本原子能研究所( j a e r i ) 也获得了0 1 k w 的红 舞f e l 4 1 1 。 1 3 目前世界上主要的g e l 装置及现状 目前世界上已建立了超过5 0 裔f e l 研究设备，主要的f e l 装 置如衷l - l 4 2 所示。光谱藏整覆簸了微波，红外，紫释，遥x 辩线 范围。在这多个研究机构中，大约有1 0 个对外开放做为应用研究， 分剐分布于美凿，荷兰，法嚣，日本等地。其鹰稻波长覆盖遗数外， 敬於，w 见光，紫铃光谱蕊围。照户中都安装了实时诊断系统和 反馈系统，用户可以选择、调节f e l 的波长、功率和脉冲宽度等参 数。在强态麓灌学，生麓秘学，涎学等方嚣开矮盔曩与科学磷突； 下面以几个较为有名的f e l 装置为例介绍一下世界主鼷的f e l 装置 发现狄。 第一章绪论 表i - 1 世界上一些f e l 装鼍的主要参数 ( 仅毽捶了波长，l 、于1o m m | 冬f e l 装鬟) 实验室装溉名称波长加速器类型状态 f e 己32 3 0n m 1 。2 u m f e l 21 - 6 u m 射频擞线加遵 用户装置 麟本f e l 研究质 f e l l5 2 2 u m 器( 1 i n a c ) f e l 42 0 6 0 n m f e l 5 5 0 - 1 0 0 9 m l i n a c 费国d u k e 大学 m k i i i1 7 9 1u m 贮存环 用户装置 n c ( u s a ) o k - 4 2 1 7n m ( s t o r a g er i n g ) 荧国v a n d e r b i l t 大 攀 m k l i l 2 t 一9 8 1 a m l l n a c用户装置 t n ( u s a ) f e l l x l3 。1 3 5 h m 蓊兰f o m 磅究掰 l l n a c用户装置 f e l i x 2 2 5 2 5 0 9 m 美国s t a n f o r d s c a f e l3 1 0 m 超导1 i n a c强户装釜 大学c a ( u s a ) f i r e f l y15 6 5 n m c l i o 3 9 0 t i m1 1 n a e 翔户装鐾 法国l u r e o r s a ys u p e r a c 35 0n m 贮存环 o 荧国j e f f e r s o nl a b3 ，2 - 4 。8 p m超导1 i n a c 瑶户装霍 s c i e n c eu n i v f e l s u t5 1 6 搬l i n a c用户装置 o ft o k y o ( j a p a n ) 6 3 3 4 0 l t m 美国燕强大学圣莲 f i r f e l m m - f e l 3 4 0 l a m 一2 5 静电加速器用户装萱 蓖拉分校( u c s b ) m m 3 0 u f e l 3 0 6 3 9 m 意大利e n e a 3 6 2 1 m m 电子湖旋加速 _ l j l j 户装置 f r a s c a t i 器 t e s l a 德国d e s y 8 0n m 超导l i n a c实验装置 f e l 日本e t l t s u k u b an i j i i v 2 2 8n n a贮存环实验装置 基本i m s - o k a z a k iu v s o r 2 3 9n m 贮存繇 实骏装暨 1 2 中国工程物理研究院博士学位论文 窦玉焕 意大利e l e t t r av u v f e l35 6n m 贮存环实验装置 德国d o r t m u n d 大 f e l i c i t a14 7 0n m 贮存环实验装置 学 a f e l 4 8 u m 美国l a n l l i n a c 实验装置 r a f e l1 6 u m 德国d a r m s t a d t 大 i r f e l 66 7 8 u m超导1 i n a c 实验装置 学 b e i j i n g 中国高能所7 - 1 9 u m l i n a c 实验装置 f e l 法国 c e a e l s a1 8 2 4 u ml i n a c 实验装置 br u y e r e s 日本i s i r o s a k a 2 1 1 2 6 u m1 1 n a c 实验装置 超导1 i n a c 2 2 u m 感应 日本j a e r i 实验装置 6m m ( i n d u c t j o t l ) 1 1 n a c 日本东京大学 u t 二f e l 4 3 9 m l i n a c 实验装置 日本1 l e o s a k a 4 7 p m 1 i n a c 实验装置 日本l a s t i l e e n a6 5 75 9 ml i n a c 实验装置 8 0 - 17 0u m 电子回旋加速 韩国原子能研究所器实验装置 1 0m m 静电加速器 荷兰t w e n t e 大学 t e u f e l2 0 0 5 0 0 u ml i n a c 实验装置 f u s i o n 荷兰f o m 研究所 1 5m m 静电加速器实验装置 f e m 以色列大学3m m静电加速器实验装置 1 3 1 美国的j e f f e r s o nl a b 美国的j e f f e r s o nl a b 的红外f e l 实验于19 9 8 年9 月在t h o m a s j e f f e r s o n 国家加速器装置上得到演示。因为必须产生高亮度高平均 筇一章绪论 的电流，注入瓣是该实验运行的关键技术。尽管穗图d r es d e n 正在发 袋中匏s r f 光阴极腔【4 3 】可能最终楚最好躲，僵蹩j e f f e r s o n 系统利 用3 2 0 k v 的直流光电阴极产生了重复频率为7 4 8 5 m h z ，电流为6 0 p c 豹稼挣 4 4 掇是器蓠嚣实瑗懿最离承平。 j e f f e r s o n 系统所用注射枪是世界上最高平均亮度的注射枪。该 装置豹溺较是个g a a s 晶体，麓援镤超过5 3 k c 的电鬃。电子柬在 光腔镜附近被服缩，然后以6 0 a 峰值电流，半高全宽少于1 p s 的微 脉冲注入到波瀚器中。在该混合摇摇器( 4 1 个周期，周翔为2 7 c m ) 中大约能提取0 5 的电子慕熊量。用后魄电子柬能散发较大，全宽 超过6 。 j t a bd e m of e l 实验分为嚣令玲段。第一除毅采鬟秃戆量豳收秘 低重复频率脉冲方式。由于凭能量回收，r f 源的功率不够，只能达 粥3 8 m e v ，l + i m a 。第二狯毅采蔫缒量嚣收帮衰霪复壤率c w 方式。 达到了4 8 m e v ，4 。4 m a ，最离可达4 7 m a 。目前j e f f e r s o n 实验室i r 已升级剿1 0 m a ，1 6 0 m e v ，麓量回收对系统翡瞪能提离7 8 瓤，改进 了加速器。对r f 发生器的要求减少了1 7 0 0 k w ，节镶了5 0 0 万的花费。 另外，腔镜在j e f f e r s o n 实验室i r f e l 中也起了狠霪要的作用。 幽于窀予柬缎缎，横向模髂积缀小，豫毫张级，只能采用很长的近 热心稳定腔，将光束扩开至厘米缴。但j 垃共心腔不稳定，镜子曲率 豹交纯将裂起r a y l e i g h 长嶷缀丈懿变纯，凌子熬热交影藏为撬毫功 率的主骚限制。19 9 8 年6 周采用9 8 的透射输出镜得到15 5 w 的 4 9 蜩】的c w 输密，1 9 9 8 年7 月采麓9 0 5 靛透射输密镜褥翻了3 1 w 的c w 输出，两者的箍募表明镜子的热变形的巨大影响【4 5 】。此后几 年他们一直在研究、解决这一问题，不断的改避靛镜，f e l 功率也随 辫不瞬刷新。在1 9 9 9 年获褥了17 2 1 w 的c w 激光，2 0 0 0 年达到了 2 15 0 w 4 6 ，4 7 1 。该实验室的f e l 融在更宽的波长调节范围和驻长的 稼? 孛游惩方瑟遴嚣了褥次舞缀。 从2 0 0 1 年1 1 月开始，他们就为平均功率达到1 0 k w 的目标而进 行一系捌静手 级准备。著予2 0 0 4 簪7 胃筑获褥了1 0 k w 翡f e l ，是 中国工程物理研究院博士学位论文窦玉焕 世界上最高功率的可调谐激光器。目前正开展包括化学、物理、生 物及激光损伤、大气传输等课题的研究。该实验室有两种c w f e l 4 1 ，一个是在i r 范围内，波长是1 1 4 9 m ，平均功率大于1 0 k w 。 一个是在u v v i s 范围内，波长是0 2 5 1 u m ，平均功率大于l k w 。 每种f e l 的平均功率都远远超过了目前世界上已有装置。目前美国 海军对f e l 产生的紫外和t h z 光源很感兴趣。海军计划利用1 0 k w 激光发展的经验，在今后四年内设计构造1 0 0 k w 的f e l 。最后计划 把1 0 0 k w 的激光移到实验基地并把功率升级到m w 水平。 1 3 2j a e r i 自由电子激光 该f e l 于1 9 9 7 年首次激励，现在已经在l m s & 1 0 h z 的宏脉冲模 式下获得了超过2 3 k w 激光。直线加速器为4 m a ，能量为15 8 m e v 。 系统使用了个2 3 0k v 的三极热电子腔产生了超过o 5 1 n c ， 0 8 1 n s ，1 0 4 m h z 的脉冲。最后经压缩的电子脉冲宽度为5 p sf w h m ， 1 0 0 a 的峰值电流，2 0 玎m mm r a d 的归一化发射度。其抽取效率高达 6 ，是目前在短波长振荡器中的最高记录。该装置使用了劈尖耦合 器输出，以获得更大的宽带调谐。该j a e r if e l 还在进一步升级之 中，于2 0 0 2 年进行了首次能量回收的f e l 操作。现在正对e r l ( e n e r g y r e c o v e r yl i n a c ) 进步升级，包括提高注射器性能，替 换r f 控制系统等【4 8 。同时对光腔进行了进一步的优化以确保高功 率操作 4 9 。 1 3 3s t a n f o r d 超导加速器f e l 世界上最初的f e l 激光振荡器实验就是在s t a n f o r d 超导加速器 上进行演示的【1 2 】。至此以后，该设备成了f e l 研究及应用中心 5 0 ，5 1 。目前有两种f e l 被安装在该直线加速器上，初始设置的 1 3 g h z 的加速器结构产生大约2 0 m e v 的电子束，进入f i r 摇摆器， 然后通过两个另外的加速器结构，再进入m i rf e l 摇摆器中。f i r 箱一章绪论 系统中能从可调摇摆器中产生15 8 5 m ，1 w 的激光。该装置中的 池黢缀长，能在实验塞中进行靛内实验。酝 袋装嚣髭产生3 15u m ， 2 w 豹激光，光腔长为1 2 。6 8 m ，混合摇摇器的蠲粥长为3 l m m ，7 2 个阐期。两者都熊产生p s 脉冲( m i r ；0 7 - 3 p s ，f i r ：2 一l o ps ) 。它们 篷稻当稳定的，光谱抖动的均方根值太约为o 0 1 ，振辐瓣动豹均方 根 葭不到2 。陡l 于胶中再生场的限制了宏脉冲的操作，囤前泼设备 正在进一步的羚缎之中，主要遁过把蹑鸯腔替换为d e s y 类型筑蕴 以升级到c w 操作攒式。视步蛉结梭测试延在邀纾之中。量的是视 步产生鬻予5 0 0 w 懿f l rf e l 。 l 。3 。4 第露我巍源及t t ff e l 许多匿1 零歪致力予襞爝s a s ef e l 产囊粪空紫势( v a c u 珏m u l t r a v i o l e t v u v ) 秘近x 射线光源戆磅宠【5 2 】。磐l c l s ，b r o o k h a v e n n a t i o n a il a b ，a r g o o n n en a t i o n a ll a b 及d e s y 。蘩本上这些方褥的 崔拜究不强谲鬻平筠功率的产生，雨怒希蘩襻虱特稍高的酶谴功率。 下面介绍一下d e s yt t ff e l 。 t t ff e l 怒以s r f 为基础并喜矮蘧向用户的装置，弱前程u v 波长内已产生了相当高的增益，有望产生更高的重复频率 5 3 】。它是 第职代光源雳户中，0 ，鸯缀多用户实验。霹通过转换器便舅不阏蜓 撂摆器，每秘辕出中对应蓑一个用户实验，如图1 1 睽示【5 4 】。 该装疆产垒靛蜂僮澎巍度超j 遣了器蓊冀它哥获褥光源一个数量 缀以上。嚣 l 菪该窳统中静壹线翔速器运转在2 5 0 m e v ，撼撵嚣长1 4 m 。 该装置能产生目前最短的f e l 波长9 8 n m 。目前韵研究主要是在s a s e 的理论方面，镪攒噪声祷性和偬和特镶。既然s a n e 系统由噪声起振， 可以想见在输出光强及光谱方面具有一定的波动性。有大量的耀论 文献都在致力予硬究这耪波动孬必。为了馊输啦稳定鞫控割光谱特 憔，一神光栅单色仪难考虑被安装，以允许更均匀的输出。 1 6 中国工程物理研究院博士学位论文窦玉焕 图1 1 t h ep r o p o s e db e a ms w i t c h y a r dl a y o u to ft h et t ff e l 1 。4 我国f e l 的发展 我国的f e l 研究开始于上世纪8 0 年代。1 9 8 7 年，f e l 的研究 与发展，列入国家8 6 3 高科技研究发展计划，使我国的f e l 研究和 加速器技术的发展迈上了一个新的台阶。目前已有数台不同类型的 自由电子激光器相继出光。19 9 3 年，中科院高能物理研究所的北京 自由电子激光( b f e l ) 【55 】达到饱和输出功率。目前，b f e l 的波长 己扩展到5 2 5 m ，并能长时间稳定运行。波长波动小于0 1 ，能 量波动小于5 ，宏脉冲能量为2 一1 0 m j 。正在利用该设备开展f e l 在材料科学和生命科学等方面的研究，每年运行时间大约为1 1 0 0 小 时。在短波长f e l 方面，中国科技大学同步辐射实验室已研制成我 国第一台电子贮存环，正在进行谐波超辐射f e l 的实验 5 6 】，为将来 在拟建中的上海同步辐射光源上开展高增益谐波f e l 的实验研究进 行技术准备。 目前上海应用物理研究所，北京大学，中科院高能物理研究所， 中国科技大学等单位正在开展紫外、红外波段的s a s e 、h g h g 短波 长f e l 的研究。 第一章绪论1 7 中秘院也从上世纪8 0 年代