【doc】关于远红外自由电子激光振荡器的设计

【doc】关于远红外自由电子激光振荡器的设计 关于远红外自由电子激光振荡器的设计 IS一川 电子技术参考1993年第3期 关于远红外自由电子激光 振荡器的设计 刘庆想 【捕要】本文介绍了波导自由电子激光的谐振特 性和增益特性,并利用这些特性设计了一种宽调谐远红外 自由电子激光振荡器,该振荡器由低能(约3Mev)射频 加速器产生的电子束驱动短摇摆器(周期数N?10),通过 调整光腔长度可以产生400gm带宽t600gm,1000pm) 的调谐输出. 1引言 关键词自由电子激光,坐,光腔'耀凇卜 MadeyT1fl70年提出自由电子激光的概由于自由电子激光具有潜在 的高功率,高效率和可调谐等优点,所以二十多年来,它一直教认为是相 干光源的"圣堂".国内外众多专家和学者倾注于自由电子激光的研究,其 目的在于应用,因此发展实用型自由电子激光已成为当前自由电子激光研 究的主旋律. 自由电子激光的复杂性和高成本一直阻碍着自由电子激光向实用化发 展.因此,小型化是自由电子激光实用化的关键.由于射频加速器采用高 度加速场,所以用射频加速器产生的电子束驱动小型摇摆器(短周期或 少周期教)是目前自由电子激光小型化的最佳途径.在这一方面,美国 LosAlamous国家实验室已取得突破性进展意大利ENEA的小型自由 电子激光装置和日本的小型自由电子激光装置也相继出光,这三个 小型装置均采用射频电子束.LosAlamous国家实验室采用了短周期摇 本文于1993年6月14日收到? 关于远红外自由电了激光振荡器的设计l9 摆器,ENEA采用较少的周期数(N=8).在目前出光的三个小型装置中, 一 个工作在红外波段,另外两个工作在毫米波段.远红外波段则是这三个 小型装置的补充和发展,Stanford大学的Pantel】研究小组正在研究这 一 波段的小型FEL装置:本文以Pant~l】研究小组的电子束参数为参考, 利用我们现有的小型摇摆器技术,设计了一种宽调谐远红外FEL振荡器. 众所周知,在射频自由电子激光中,电子束微脉冲与光脉冲的相对滑 移将对自由电子激光的性能产生不利影响,滑移量越大,自由电子激光的 增益也就越低,在自由空间中,滑移量6=Nks.N为摇摆器周期数,九s为 辐射波长,因此,在自由空间中,用射频电子束产生远红外自由电子激光 辐射输出是很困难的.另外,由于远红外的衍射效应较为严重,采用波导 谐振腔将带来一系列优点:Pantell和A.Doria"等人分别提出了 用波导的色散特性来抑制滑移.本文在第二节重点介绍波导自由电子激光 的新特性;在第三节中,我们依据波导自由电子激光的新特性进行了宽调 谐远红外FEL振荡器的参数设计;第四节讨论宽调谐远红外FEL振荡器设 计参数的可行性.第五节讨论宽调谐远红外FEL振荡器中存在的问题及其 可能的解决办法. 2波导自由电子激光的谐振特性和增益特性 2.1谐振特性——零滑移条件 在自由空问中,自由电子激光的谐振频率只有一个,而在波导FEL中j 由于波导的色散特性,使得波导自由电子激光具有两个谐振频率,如图1 所示. 波导的色散关系为:(to/c)=k+r}(1: 其中?为角频率,k为波数,r为截止波数.自由电子激光的谐振关系为: tO/c—Bz?k—B2?ku=0(2 其中ku为摇摆器波数,ku=2?/九u,九u为摇摆器的周期,Bz为电子束的 纵向归一化速度分量,它与电子束的相对论能量因子有下述关系: vi:I/(1一B)=/'I+k)(3 其中k为摇摆器作用参数,k=0.066Bo(kG)?九u(cm),B为摇摆器的峰 值磁感应强度. 第3期 电子技术参考I993~ ' , ' , \\ , ,z 丘 图1波导自由电子激光的谐振特性 两关系曲线的交点即为波导自由电子激光的谐振点,由(1:式和(2:式可 得对应的谐振频率为: m ?=Bz丫ku[1?Bz?—r=1_广日i盯)(4 由上式可知:A:1一(r/Bz丫zku)是个特征量,当A一1时,F一0, ??" 对应于自由空间,?了,?.为自由电子激光在自由空间的谐振频率, n /c2Bz丫zku,当A一0时,r=Bz丫zku,波导自由电子激光的两谐振 ?1 频率重合,?(?./c),这时,自由电子激光谐振关系曲线与波导 色散曲线相切,波的群速度等于电子束的纵向速度,这就是所谓的零滑移 条件. 2.2增益特性 采用小信号分析通常的假定,即只考虑摇摆器磁场对电流的调制,并 假定电子束的横截面积远小于激光模面积,采用参考文献(9)的弱扰动 电子运动的分析方法,即可得到波导自由电子激光的小信号增益公式: 一 (1+K)KNI LIo G''-.p丫? 其中:?是激光模面积,对TTE.模, (k+)g(0)(+_)g() ^.u 关于远红外自由电子激光振荡嚣的设计21 ?:(m/a)+(n/b)ab(n/b)?一E.4=l(m,1"1牛0) E=2(m,n:0) I为电子束峰值电流,Io为Alfve1"1电流,N为摇摆器周期敷,口是相 移,它正比于谐振关系线和波导色散曲线之间的波矢量差,如图1所示, 0:8kL=((?/c)/B一k—k)L(6: sc.=暑c L为摇摆器的总长度,L=uN. 当0:0,即在两谐振频率处,g(0):0,增益为零;在两谐振频率之 间,0<0,g(0)90,有正增益;在两谐振频率之外,0>0,g(0)d0,有 负增益.在两谐振点之间的色散曲线段上,必有一点处的切线与谐振关系 线相平行,即在谐振频率之间必有一频率的群速度等于电子束的纵向速度, 不过,该处的增益可能为零,如图2所示. 图2增益与o)/c的关系特征 如果能够使该频率处的增益为正增益,并足够高,那么作用在该频率 附近的射频自由电子激光的滑移问题就得以解决.由方程(2)(3)和(2: :减少波导间骧,降低电子束能量,增大摇摆器周期和增加摇摆器 (4:可知 磁场都可以使两个谐振点接近,相应的两增益带也就相靠拢,直至交合在 一 起,形成一个宽增益带,在该增益带内必有一点的群速度等于电子柬的 纵向速度.WIlliamJ.Golightly和SailYK.Ride分析了最佳交合 的条件.;最佳交台的条件为:, 22电子技术参考l993年第3期 A:1一(1—2.6/2xN)(8: 在最佳交合时,群速度等于电子束纵向速度的频率处增益最大.因此,在 波导自由电子激光中,选择适当参数,就可以用较短的电子束微脉冲实现 长波长输出. 3宽调谐远红外F?蓑蒲器的设计 第二节的理论已经被意大利ENEA的自由电子激光实验所证实,以下 我们参考Stanford:J~PantellFEL研究小组的射频电子束参数对宽调 谐远红外自由电子激光振荡器进行了设计研究.PantellFEL研究小组 的电子束参数见表I' 袭IPantellFEL研究小组的电子束参数 - 名称数值 电子柬能量(Mev)l,3.3 峰值电流(A)1O 发射度(非归一化)2.0mm—mmd 能散度(%)1.5 微脉冲宽度(ps)l0 宏脉冲宽度(IJS)3 电子束半径(mm)O.25 加速频率(GHz)2856 根据第二节的理论分析,我们设计了计算程序ZXL一1.首先用该计 ,设计参数见 算程序再现了意大,JJENEA的FEL振荡器设计,如图3所示表IIc由图3可以看出,计算程序ZxL一1的计算结果与ENEA的模 拟结果基本一致,而意大利ENEA的FEL振荡器实验(已经出光)就是 在这组设计参数下进行的,因此可以说计算程序ZXL一1具有一定的可 信度. 根据上节得出的单增益带的实现与波导问隙,摇摆器的周期和磁场强 度,摇摆器的周期数和电子束的能量的关系,以及我们现有的技术条件, 关于远红外自由电子激光振荡器的设计 图3意大利ENE^的FEL计算结果再现 I意大利愿计算结果IIZXL一1的计算结果 我们选取了一系列设计参数,并用计算程序ZXL—l对设计参数进行了仔 细调试,最后得出四组较为满意的设计参数,这四组设计参数列入表II中, 对应的增益与频率的关系曲线示于图4中. 由表II和图4可以看出:除第1组设计参数的作用波长大于1000fire 以外t其它三组设计参数的作用波长均在远红外区.这四组设计参数是以 意大利ENEA的设计参数为依据,并根据我们现有的摇摆器技术条件选取 的.摇摆器的周期,周期教和磁感应强度以及电子束的能量和峰值电流等 的选取条件是其总体效应即单程增益大于意大利ENEA的单程增益.摇摆 器的周期,和周期敷还与光腔长度以及加速器的加速频率有关,参数选取 的条件是其总体效应即在单个宏棘冲内的振蔷次数大于或等于蠹大利 ENEA的振荡次数. 24电子技术参考1993年第3期 表?盘带FEL撮氇鼍设计参数 参敦EN础J?皿? 电子柬能量【HOV】1.81.12.13 能量因子Y4?553.25.2 加速藏章[6舷】31.3业1. 31.31.3 峰值电漉[A]4'8 艟敢度f叼21.01.01.01.0 徽脉冲宽度ItS】15l0lBl0l0 宏脉冲宽度fSJ4d444 播按鬻厨材fc-】2?5l1.51.目1.B5 接撄奢薯场嘲6?l6.86.88.5I.2 周期数8l6n' 总长度22?5lEl9l919.1 摇按鬻作用参蕺K10.t50.611.0I0.978 波导阔致啊]4?321.881.8822 作用波长【n】2?48L250.82O.80.0 (卜一t.5).(O.5T,1)(0.59,1)(0.',1) 增益25—30>lOO35-5031-47.530-40 谗振脏长度m】28?5521.6B22.4522.S922.59 振荡扶致2000260田250025002600 ? 女按相对论因子计算E=J.8Mev'轴能壤I中尉为2.3_w(息能量). 舣实验璧为l_. ?蚍该姻建擐率不同于PanteLL的如建擐率. 注:在计算增益对均我有考虑能鼓度和发射度. 关j.远缸外自由电子激光振荡器的设}} m ,, VV一?L_? Il 厂/,,. V .\/ ? 图4表II中四组设计参数的增益与?/c的关系r' 4设计参数的技术可行性研究 4.1摇摆器的技术可行性 这四组设计参数中.只有第1组的摇摆器参数较难实现.不过实现的 可能性还是有的.因为波导的间隙为1.88mm,可采用国际标号为wRl5 的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 波导,其外截面的高度为3.91mm,所以摇摆器的间隙为4mm即 可.在4mm的间隙,lcm周期的混合型摇摆器可望达到7.2kG的峰值 磁感应强度.如果将混合型短周期摇摆器的改进技术用于其它三组摇 摆器的研制,那么,其它三组摇摆器的设计参数很容易实现.另外,由j 周期数较少,所以加工精度可以大大提高,精力和财力问题都会得到l凡大 26电r技术参考】993年第3期 改善. 4.2电子束的馈入方式 意大利ENEA~实验成功增强了我们采用电子穿透镜的决心. 电子穿透镜可分为两类:f1)电子束不被拦截.如PantelJ提出的 在腔镜中心开孔…和Bragg反射镜等;(2)电子束被拦截.如金属 栅网和金属薄模等,以下重点讨论金属栅网和中心开孔的电子穿透镜. 中心开孔的电子穿透镜不会破坏电子束的质量,从理论上讲,该电子穿透 镜明显优于其他电子穿透镜,但是,目前只有理论研究""";没有 实验结果.为了确保实验成功,在将中心开孔的电子穿透镜定为具体实施 方案之前,还需做更深入的研究.采用金属栅网作为电子穿透镜,将会有 小部分电子被拦戳t还会降低电子束的质量,电子束的能散度和发射度均 有增加,但是,这种腔镜已被成功地用于意大利ENEA的自由电子激光实 验中,而且有较详细的理论和实验研究结果':研究结果表明,只有在作 用波长>100ttrn的情况下,才能使用金属栅网作为电子穿透镜.四组设 计参数的作用波长均太子100Bm,因此,在我们的实验中,采用金属栅网 作为电子穿透镜是可取的,不过,金属栅网的特征参量如栅格常数g,金属 丝的宽度和厚度等的确定还有待更深入的研统. 4.3耦台输出方式 激光耦合输出的方式有两种:(1)插入耦合输出;【2)腔镜耦合输出. 插入耦合输出方式在自由电子激光实验中应用较广(包括远红外自由 电子激光实验).但是,由于我们的波导间隙只有2mm,所以在这种条 件下进行插入耦合是很困难的,因此,我们重点讨论腔镜耦合输出方式. 腔镜耦合输出方式又有两种,一种是腔镜开孔耦合输出,ATandBell 实验室的远红外FEL实验采用了小孔耦合输出.?Pantell也拟定采用 』耦合输出":另一种是令属栅网耦合输出,这种输出方式的耦合面积 大,输出光的质量较好意大利ENEA的FEL实验就采甩了金属栅阐 耦合输出.总之,两种方式均有成功的模式,均可采用. 4.4光腔及伺服系统 电子束脉冲必须与光脉冲同步,即光在腔内的回程时间磐须等于电子 束微脉冲问的时间间隔,所以光腔豹长度可由下式求得: 关于远红外自由电子激光振荡器的设计 Lc=_cBEn/RF+6Lc(9) 其中Lc为光腔长度,B.为光在波导内的归一化群速度,c丸氅剐眺童n为 整数,v为加速器加速频率,5Lc为deluning长度,在零滑移条件下, B=Bz,6Lc=0.表II中四纽设计参数的光腔长度均按零滑移条件求得. 光腔内的脉冲个数为2. 通常自由电子激光对腔镜的长度调整系统要求很高,一般调整精度为 1gm,测量精度为0,1lam如果作用在零滑移条件下,则增益带宽较宽 如表II中的四纽设计参数,增益带宽为400gm,而且摇摆器周期数较少, 这样微调系统的精度就可以降低.我们将后镜(耦合输出镜)固定,调前 镜(电子穿透镜),通过调整前镜,可以得到不同的输出波长,根据表II 的设计参数和第二节的理论分析,取微调精度为5gm,行程为4mm(最 大正滑移量1.62mm,最大负滑移量为1.98mm)即可.另外,由于摇摆 器周期数较少,所以光腔总长度不到25cm,这就大大降低了对准直系统 的要求. 5讨论 本文利用波导自由电子激光的谐振特性和增益特性,给出了频带为 400gm的远红9~FEL振荡器的设计参数,由上节的分析可以看出:采用这 设计参数将会大大降低部分部件的技术难度,提高实验成功的保险系数. 但也有不足之处,该设计利用了波导自由电子激光的零滑移特性,即降低 群速度,由上文的分析可知:由于群速度的降低而导致相速度的增加,从 而使辐射输出频率降低,这也就是说,实现零滑移是以降低辐射频率或者 提高电子束能量为代价,这是我们所不希望的,为此,作者设想采用一种 特殊波导,该波导既能降低群速度又能降低相速度或保证相速度基本不变, 如果这一设想能够实现,那么,这种新型的波导自由电子激光将成为一种 较为理想的远红外相干光源,目前,作者正在做这方面的探索研究. 致谢 本工作是在惠钟锡研究员,张世昌教授和周传明副研究员的指导下, 电子技术参考1993年第3觏 在室领导的关心和支持下完成的,同时,徐勇博士在本工作中给予了很大 的帮助,在此特向他靠1表示衷心的感谢. 参考文献 , 1ladeyJMT.Sti自UlatedF自issionDfRacliatj0ninPeriDdicaIly DeflecteclE{ertronBeam.J.Appi.Phi/.1971,42:j906 2江小雨.小型自由电子激光问世.中国科,1993.4.7,第三版. 3CiOcciF,eta1.Operii0nofaCompactFree—El8ctr0nLatSefin IheMi1Iimeter—waveRegi011wjthaB?nchedE【ectrf3ftBeam.Phy. Rev.1ett.,199370(7):928—931 4余?自由电子激光技术有新进展?中国科,1993.4.23,第三版 ;?uangYC,Bta1?C0^pactfa—IRFE/clesi9n.Nuct.Instr.aacl Meth.inPt~5'.Res.,A3l8,192:;65一i1 BEliasL.Free—E1ectrOnLaseTReseaIchat}heUI】jre"ersit0f Ca【if0rnia,S0ntaBarbara.IEEEj.0fq?antEL,ct.,198,qE一 23;l47O 7RjdeSK.etaL+Reducin9s1jpi目afar—infraredf,ee,e1eciron laserUSjngapafalIel,la九ewaVegIIide.App.Phy.Iet1., 】990,57:l283—1285 8B0riaAJeta【?Rlne砸aiicamtdynamicpr0perties0fawaVe gl1jdBFEI..0pIicsC0mmunicatj0S,l99l,BB(S,6):417,424 qgatO?GandRenieriA.LaseiHandb00k,l9854 G0Ii9htEyJandRideKS.SpOilJIlt~IIUSE_isSiO11andGai11in& Ware9】1ideFree—ElectTOIlLlt$~r.IEEEJ.of0uant.Elect.,l99l, 27(12):2556—2666 l4 l5 关于远红外自由电于激光振荡器的设计 Bartqli12iP,etaI.Ttae0reticaI&ndexperime~ztaLaspects0fa wave9UideFEL.NlIcI.Instr.andHetla.i11Phy.Res.A304l99J: 4IT一420 刘庆想等.强磁场混合型周期摇摆器.强激光与粒子束,1993,5(2 290,296 Pa/lteIIRIt,etaI.1nterfer011etermirr0rswitlaholes012一a^is. 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