储存环相干谐波自由电子激光器新光学速调管工作状态分析

合肥国家同步辐射实验室(NSRL)正在开展储存环相干谐波自由电子激光研究,为了在较高电子束能量下进行实验、且具有较高的相干辐射强度,光学速调管从原来的对称结构改造为非对称结构。分析了相干谐波实验中各参数之间的关系,及对相干谐波辐射的影响,并给出了两种工作状态下的最佳工作参数。

NSRL储存环相干谐波自由电子激光实验总体布局

国家同步辐射实验室(NSRL)正在开展储存环相干谐波自由电子激光研究;目标是获得266nm相干辐射输出;并且获得较高的相干增强因子。给出实验的总体布局;包括电子束、种子激光及光学速调管的性能;介绍了种子激光扫描聚焦系统、同步系统、光学速调管磁极间隙控制系统、磁场测量系统及辐射测量系统。

用非对称光学速调管的相干谐波自由电子激光

使光学速调管第二段波动器的磁场参数与光场的高次谐波共振，与对称光学速调管情况相比，可使产生的相干谐波辐射强度提高。对三次谐波，强度提高为对称情况的２．６倍。

谐波驱动自种子自由电子激光方案模拟

在自由电子激光(FEL)中,谐波驱动自种子(HLSS)可以减小自放大自发辐射(SASE)机制的辐射带宽、提高X射线波段FEL的谱亮度,其原理已被FLASH、PAL、European XFEL等实验室验证。HLSS可改善SASE FEL的相干性,但同时相对SASE并没有提出新的硬件需求,因此可以很方便地应用于国内在建或运行在SASE机制的自由电子激光装置。本文对HLSS方案实现窄带宽效果的原理进行了归纳,给出了波荡器参数的定量条件;随后使用深圳中能高重复频率X射线自由电子激光的典型参数进行模拟,模拟结果表明在出光波长为4.5 nm与6.75 nm时,HLSS的带宽减小至SASE的1/2左右,同时谱亮度提高至2倍左右。

上海软X射线自由电子激光单脉冲成像定时的设计与实现

上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)是我国首台X射线自由电子激光用户装置,目前建有2条波荡器线、2条光束线以及5个实验站.装置可提供2—15 nm波长(80—620 eV)的X射线脉冲,用于高时空分辨的前沿科学研究.利用XFEL高亮度、短脉冲和全相干的特性实现单脉冲相干衍射成像,可以有效地减轻辐射损伤,提高图像的空间分辨率.SXFEL设计重复频率为50 Hz,实现单脉冲成像的关键在于通过定时系统能够精确地控制X射线脉冲到达样品点的时间,以确保只有一个脉冲被选中用于成像.同时,还需要与成像系统的触发进行同步,以确保成像系统在正确的时间采集X射线脉冲与样品作用后的图像.本文介绍了SXFEL单脉冲成像定时的设计与实现.通过单脉冲成像的结果表明该定时方案能满足在50 Hz的SXFEL开展单脉冲成像的需求.

储存环自由电子激光相干谐波实验的同步系统

为了获得短波长自由电子激光（ＦＥＬ），可以使储存环中的相对论性电子与外加强激光脉冲在光学速调管中充分耦合，从而产生高次谐波的相干辐射。为使耦合充分，必须使电子束团与激光脉冲在时间和空间上完全同步。其中空间上的同步可通过调节外激光的光路来实现，给出了实现时间上同步的一种方案。

上海深紫外自由电子激光的非线性谐波辐射研究(英文)

自由电子激光中的非线性谐波辐射能达到较高的谐波功率,可以用来得到短波长辐射或者降低第4代先进光源对电子束团品质的严厉要求。基于3维自由电子激光软件,深入详细地研究了上海深紫外自由电子激光装置的非线性谐波辐射,并且提出了谐波辐射实验和测量建议。研究表明上海深紫外自由电子激光装置3次非线性谐波辐射的功率可以达到基波功率的2%水平。

Echo-enabled谐波放大自由电子激光参数

通过数值模拟,结合解析计算分析,研究了Echo-enabled谐波放大自由电子激光对装置参数和主要束流参数变化的独立敏感性,给出了谐波聚束因子和饱和功率随参数变化的数值模拟结果;对色散段由相干同步辐射效应引起的能散和发射度增长进行了估算和数值模拟。结果表明:相干同步辐射效应引起的切片能散和切片发射度增长在5%以内,对最后辐射影响不大。

双摇摆场谐波自由电子激光

应用Madey定理对双摇摆场自由电子激光的谐波特性进行了研究,导出了这种新型摇摆场结构自由电子激光高次谐波的自发辐射功率密度和小信号增益公式,以及电子与辐射场的耦合系数的表达式。计算结果表明,采用双摇摆场可以增强电子与辐射场之间的耦合,提高谐波的辐射强度和增益。而且在某些条件下,还可在轴上同时获得奇次和偶次谐波。

摇摆场谐波对自由电子激光输出功率的影响

在单粒子理论的基础上,详细考察了摇摆场谐波分量对自由电子激光输出功率(包括基频及其谐波)的影响,给出了完整的模拟方程组,并在摇摆场谐波振幅远小于其基波振幅值的假定下,利用三维WAGFEL程序和毫米波自由电子激光放大器的参数模拟计算了摇摆场谐波对自由电子激光基频输出功率的影响。

改型Wiggler自由电子激光谐波产生的非线性理论

建立了改型Ｗｉｇｇｌｅｒ自由电子激光的非线性理论。导出了自洽非线性方程组。用计算机模拟了在改型Ｗｉｇｇｌｅｒ磁场中，电子与光场互作用从线性调制到非线性饱和的演化过程，得到了电子的相空间群聚图、高次谐波的增益、抽取效率和电子束的分布函数。同时还研究了电子束的能散度对高次谐波的增益和效率的影响等。模拟结果证实，改型ｗｉｇｇｌｅｒ自由电子激光是实现短波长相干光辐射的重要途径之一。

利用相干渡越辐射测量自由电子激光的群聚

探讨了利用相干渡越辐射(CTR)来测量自由电子激光(FEL)群聚电子束的测量方法。根据相干渡越辐射(CTR)的特性,结合FEL中电子束群聚的特点,建立了理论模型。利用CAEP光阴极RF腔注入器、30 M eV射频加速器产生的30 M eV电子束及相应的FEL装置进行了实验验证。结果表明:群聚后电子束渡越辐射的强度大大高于非群聚电子束的辐射强度,而且辐射角也很小,反映了该辐射的相干性,由此可以给出电子束的群聚效果。

自由电子激光器中Cherenkov相干辐射机理研究

由于普通的Compton—Raman型自由电子激光器是一类利用被Wiggler磁场驱动的相对论电子束横向动能转换成辐射能的装置,在这种系统辐射机理中,大部分电子束的纵向动能没有被利用。为进一步提高能量转换效率,我们根据一种系统可形成二种不同辐射机理的原则,以及现有的相对论电子束Cherenkov辐射理论和实验基础,研究了一种把普通自由电子激光器中相干辐射机理和相对论电子束在慢波器件所形成的Cherenkov辐射机理统一于一体的新辐射机理—Cherenkov相干辐射机理。

基于近场外差散斑的自由电子激光横向相干性测量研究

相干性是X射线自由电子激光(X-ray Free-Electron Laser, XFEL)最重要和显著的特点之一,在自放大自发辐射(Self-Amplified Spontaneous Emission, SASE)模式下,XFEL光输出功率极不稳定且强度分布差异较大。为能够用简单系统同时测量二维平面的横向相干性,本文提出一种基于近场外差散斑的光脉冲相干性测量方案,该方案的优点是能实现单发脉冲和平均脉冲的横向相干性测量。将光脉冲照射在做布朗运动的纳米粒子溶液上产生近场外差散斑,通过散斑信号的功率谱分析得到光脉冲的横向相干性。文章重点在理论上研究了测量方案的可行性,结合上海软X射线自由电子激光SASE模式的光场仿真,通过数值模拟的方法获得了单粒子和多粒子外差散斑信号的空间分布,以及对应的横向相干性。未来此方法可以为自由电子激光的运行和用户提供在线的相干性信息。

基于电光采样的自由电子激光太赫兹源相干检测研究

为对华中科技大学一台在建的高平均功率、可调谐（1～10THz）的自由电子激光太赫兹辐射源进行高精度、全频段相干检测，设计了基于电光采样原理的测量方案，该方案具有响应速度快、灵敏度高、噪声小、测量带宽大等特点。通过理论计算分析，得到探测飞秒激光脉冲以及太赫兹脉冲的偏振方向与电光晶体晶轴方向的最优夹角，分析了探测飞秒激光与太赫兹脉冲在常用电光晶体（ZnTe、GaAs、GaP）中的相位匹配，并给出了适合该太赫兹频段的探测晶体种类和厚度参数，为后期的调试和实验提供理论和技术支持。

HGHG自由电子激光时间相干性研究

时间相干性是外种子型自由电子激光(FEL)对于自发辐射自放大(SASE)FEE具有的重要优势之一。利用自制的迈克尔逊干涉仪测量了600 nm(二次谐波)和400 nm(三次偕波)高增益谐波放大(HGHG)FEL的时间相干性,分析不同延迟时间处的干涉图样条纹可见度,得到了600 nm和400 nm HGHG自由电子激光的相干长度,分别为119±6.7 fs和112±16.9 fs。通过与光谱测量和理论计算结果进行比较,进一步验证了实验测量的准确性。结果表明HGHG自由电子激光继承了种子激光的相干性特点,这与理论预测结果相一致。

上海深紫外自由电子激光装置中激光与束流的精确同步(英文)

介绍了一种基于相干辐射测量的激光-电子束同步方法,描述了实现空间及时间同步的基本原理、步骤和细节,并利用这种方法在上海深紫外自由电子激光装置(SDUV-FEL)上实现了电子束与激光之间亚ps量级的精确同步,为基于外种子激光的高增益高次谐波产生(HGHG)、回声型谐波产生(EEHG)和级联HGHG自由电子激光实验奠定了坚实的基础。还利用这种手段对不同条件下的电子束纵向特性进行了测量和分析。

自由电子激光装置数字化束流位置信号处理器研制及应用

针对自由电子激光装置(Free Electron Laser,FEL)对束流位置测量的需求,研制了可同时用于条带束流位置检测器(Stripline Beam Position Monitor,SBPM)和腔式束流位置检测器(Cavity Beam Position Monitor,CBPM)信号处理的数字化束流位置信号处理器(Digital Beam Position Measurement processor,DBPM)。该处理器为一体化的嵌入式结构,以现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)为系统核心,采用分布式的实验物理及工业控制系统(Experiment Physics and Industrial Control System,EPICS)进行远程数据交互。处理器对SBPM和CBPM系统的测试分辨率在0.5 n C流强时分别达到4μm和0.4μm,达到设计指标,成功应用于大连相干光源(Dalian Coherent Light Source,DCLS),并将应用于上海软X射线自由电子激光装置(Shanghai X-ray Free Electron Laser,SXFEL),是国内首台自主研制成功并实现工程应用的DBPM处理器。

基于不同物理机制的固体高次谐波产生对激光参数依赖特性的理论研究

高次谐波产生(high-order harmonic generation,HHG)机制的研究,主要集中在带间极化和带内电流,以及由Berry曲率引起的反常电流机制上.将强激光诱导完整电流分解为不同机制的贡献,得到长期以来被忽视的混合项电流.通过数值求解半导体Bloch方程(semiconductor Bloch equation,SBE),研究了不同机制产生高次谐波的峰值振幅和激光波长相关性,探索了各电流机制之间的相干性.研究发现,无论是随着波长变化还是随着峰值振幅的变化,混合项电流与带间极化电流诱导的高次谐波谱有着十分相似的变化规律,以及极其接近的谐波强度;同时发现Berry曲率诱导的反常谐波只能产生垂直于激光场偏振方向的偶次谐波,且在波长和峰值强度变化过程中出现的极小值是反常谐波独有的特征.通过分析不同机制之间的干涉作用,发现带间极化谐波与带内谐波(包括反常谐波)在垂直偏振方向上发生了明显的相互干涉,而混合项谐波与带内谐波的相干则微乎其微.

自由电子激光各类纵模的统一描述

给出一种研究自由电子激光各类纵模发展过程的新解析方法。建立了统一描述各类模的基本方程。并用这一方法研究了各次谐波的诱导辐射、超辐射和边带超辐射。