CFEL光阴极注入器驱动激光器的实验

在高功率自由电子激光初级实验装置（CFEL）研究中，驱动激光直接照射光阴极而发射电子，其性能将在很大程度上决定注入器乃至整个自由电子激光实验系统的性能：如电子束微脉冲宽度、电子束微脉冲流强、电子束微脉冲峰值抖动等。文中针对CFEL初期研究目标（3～8μm）对光阴极注入器的要求，对光阴极RF腔注入器的驱动激光器进行了方案设计，提出了驱动激光器的参数要求。根据方案进行了工程实施，购置了锁模激光器和时间同步器，放大与倍频系统正在研制当中。     

L波段射频加速器电子束微脉冲诊断

 利用切伦柯夫辐射的瞬时发光机理，把相对论电子束打在熔石英靶片上转化为可见光，再用皮秒扫描相机进行测量，就可得到射频直线加速器皮秒电子束微脉冲的峰值电流及微脉冲束团。采用该方法，对L波段射频直线加速器的电子束微脉冲宽度和束团结构进行了诊断。由此构建了一套加速器电子束微脉冲的在线测量系统，该系统对调整加速器工作状态、提高束流品质使之适应自由电子激光要求起到了重要作用。     

光参量啁啾脉冲放大中时间同步抖动对增益稳定性的影响

 在考虑了光参量啁啾脉冲放大中的脉冲波形、相位失配和时间同步抖动情况下，给出了计算光参量啁啾脉冲放大增益特性更为完善的三波耦合理论模型。并在1 ns的时间同步抖动情况下，对比分析了光参量放大在小信号放大及饱和放大时的增益稳定性。光参量放大的时间同步抖动对增益影响非常大,使放大信号光脉冲的增益光谱发生了明显的偏移，波形不对称和整个增益降低；并且信号光光谱越宽，光参量放大间的时间同步抖动对其增益影响越严重；但随着参量放大增益饱和的出现和加深，信号光和抽运光之间的同步时间抖动对放大信号光的输出强度影响减弱，即在饱和放大处可以获得更稳定的放大信号光输出。     

重复频率可调谐的超低抖动光窄脉冲源的研究

提出了一种新型的基于光电振荡器的重复频率可调谐的超低抖动光窄脉冲源. 光电振荡器系统可以产生超低相位噪声的微波信号; 被该信号调制的直调光经过两次相位调制之后, 使光脉冲的啁啾增强; 再通过一段色散补偿光纤, 光脉冲被进一步压窄. 实验中使用YIG可调滤波器, 可以得到8–12 GHz内步进为200 MHz的可调谐微波信号, 因此光脉冲的重复频率具有可调谐性. 当微波信号即脉冲重复频率为9.6 GHz时, 测得脉冲宽度为3.7 ps, 相位噪声为-130.1 dBc/Hz@10 kHz. 由此得出光脉冲的瞬时抖动为60.1 fs (100 Hz–1 MHz), 因此该方案产生的光窄脉冲源具有超低的抖动.     

矩形波导中超短脉冲电子束的相干同步辐射

考虑了当射频调制的超短脉冲电子束径向长度远小于辐射波长时，将其理想化为δ时间函数，提出了用波导本往模展开的方法来计算矩形波导中超短脉冲电子束的相干同步辐射及其频率特性。结果表明：（１）当谐振频率等于调制电子束微脉冲时间隔的射频的整数倍时，辐射模式表现为“纯”的波导本征模。（２）波导效应使得超短脉冲电子束在两个频率处发生相干同步辐射，而且低频支的辐射功率高于高频支的。最后指出波导自由电子激光器单横模     

基于F-P腔和SOA 100 GHz及200 GHz全光时钟恢复

解释了当信号速率是法布里-珀罗(F-P)腔的自由光谱区宽度(FSR)的整数倍时,利用F-P腔和基于半导体光放大器(SOA)级联偏移滤波的幅度均衡系统实现全光时钟恢复的原理。从理论上研究了幅度均衡系统中偏移滤波参数对时钟幅度抖动的影响,并且给出了理论上最佳的偏移滤波参数。实验中,为了解决时分复用(OTDM)系统中不同时隙信道信号光相位不同导致F-P腔输出光脉冲幅度严重起伏的问题,采用了对信号光进行波长转换的方法,最终利用FSR为102 GHz的F-P腔和幅度均衡系统成功地分别从102 Gb/s和204 Gb/s归零码开关键控(RZ-OOK)码信号中恢复出了102 GHz和204 GHz的光时钟。其中102 GHz时钟的幅度抖动为8.5%,时间抖动小于236 fs;204 GHz时钟的幅度抖动为9.4%,时间抖动小于251 fs。     

基于改进光电振荡器结构的超短光帧时钟脉冲提取

研究了一种基于双相位调制器(PM)结构的光电振荡器(OEO)。利用OEO提取的电时钟对外加的连续光进行相位调制,再经过光带通滤波器(OBPF)进行偏移滤波,产生了脉宽为7.6ps的光脉冲。随后进入由相位调制器和单模光纤(SMF)组成的脉冲压缩器进行脉冲压缩,从而得到脉宽很窄的光帧时钟。实验中,成功实现了从4×25Gbit/s信号中同时提取出25GHz的光时钟和电时钟。光时钟的脉冲宽度为3.1ps,占空比为7.75%,时间抖动为135fs(100Hz~10MHz)。电时钟载噪比为61.7dB,时间抖动为118fs(100Hz~10MHz)。     

多脉冲强流电子束在线测试数据处理

在多脉冲强流直线感应加速器(LIA)的测控和诊断系统中,电子束的在线测试数据处理是重要的组成部分。多脉冲强流电子束在线测试数据处理系统是集测试仪器、计算机和工作站等组成的工业以太网,以及实现测试网络配置、测试仪器的通信及控制、数据采集、束流强度和束质心位置计算、显示以及存储等功能为一体的专用软件。多脉冲强流电子束采用基于电阻环束流位置检测器(BPM)的束流测试线路,根据束线上每个BPM测试得到的四个象限点的原始电压信号波形,以及测试线路的结构参数,计算束线上每个PBM位置的束流强度以及束质心位置随时间变化的波形,根据随时间变化的波形数据计算每个BPM位置多个脉冲束流的强度以及束质心位置的统计数据。数据的存储采用SQL和文件系统相结合的方式。这套多脉冲强流电子束在线数据处理系统在多脉冲强流LIA的调试实验中稳定可靠运行,为实验提供有效可靠的数据。     

纳秒级时间分辨光谱诊断系统及其辐射防护

强流电子束二极管是强脉冲辐射环境模拟装置和高功率微波技术中的重要研究方向,通过时间分辨光谱诊断研究阴极等离子体的特性是分析强流脉冲电子束二极管工作性能的可靠方法之一。介绍了具有纳秒级时间分辨能力的光谱诊断系统及其工作原理、系统组成和性能参数,并阐述了低抖动同步触发系统的实现方法和时序关系。同时,针对强脉冲辐射模拟装置产生的强脉冲电磁辐射和强X、γ射线辐射对光谱诊断系统造成严重干扰的情况,设计了电磁屏蔽室和铅屏蔽室对诊断系统进行保护。对黄铜阴极的等离子体进行时间分辨光谱测量,实验结果表明,随着二极管脉冲电压和电流的上升,参与形成阴极等离子体的元素和物质成分明显增多。该光谱诊断系统的时间分辨能力为10 ns,最小可达2 ns,同步触发系统的抖动小于4.0 ns,为深入研究二极管的阴极发射机理开辟了新的技术途径。     

强流电子束时间分辨系统瞬态脉冲干扰的抑制

强流电子束时间分辨测量系统在直线感应加速器(LIA)环境中会受到一些短暂的高能脉冲干扰,这些瞬态脉冲干扰既针对电路又针对测量系统,这对测量系统电子设备危害很大。介绍了时间分辨测量系统的原理,分析了瞬态脉冲干扰的成因和抑制方法,给出了束参数测量系统的实验布局和特点,分析瞬态脉冲干扰对LIA中测量系统电子器件电性能的影响和变化规律,并进一步探讨电子器件电性能受瞬态脉冲干扰后的抑制措施。通过采用光纤传输控制信号的措施,能很好地传输窄脉冲,信号延时抖动小,达到了高速信号的可靠传输要求,利用紧凑嵌入式方法,提高了抗电磁干扰的能力,这样可以更好地保护束参数测量电子器件,提高了整个系统的抗干扰能力及可靠性。     

光阴极微波电子枪中时间抖动对粒子动力学的影响

对光阴极微波电子枪粒子束性能起决定性影响的因素之一就是激光脉冲相对加速微波相位的时间抖动. 对这种时间抖动的测量和反馈控制进行了理论和实验分析, 并对时间抖动对束流品质的影响进行了模拟研究, 得到了利用锁相环回路降低激光脉冲相位噪声的实验经验, 为光阴极微波电子枪中激光与微波相位同步问题提出了解决方法.     

BEPCⅡ直线加速器的误差和抖动效应

为达到BEPCⅡ 直线加速器的设计指标,系统地研究了误差和抖动(Jitter)效应对束流性能的影响。误差效应包括束流的初始偏轴和聚焦透镜偏轴导致的色差效应;束流的初始偏轴和加速结构偏轴导致的尾场效应等。主要的抖动效应包括相位漂移抖动和高频功率源中调制器电压的抖动影响等。确定了在BEPCⅡ直线加速器上对误差和抖动的限制,如来自电子枪的束流的初始偏轴应小于等于0.3 mm,加速结构和聚焦磁铁的安装误差应小于等于0.2 mm,相位漂移抖动误差应小于等于2°,调制器的电压抖动误差应小于等于0.1%。并进一步确认了必须采用相位控制系统和束流轨道校正系统,以抑制这些误差效应的影响,达到正、负电子束流能散度小于等于0.5% 和电子束束流发射度小于等于0.25 mm·mrad,正电子束束流发射度小于等于1.60 mm·mrad 的设计目标。     

CiADS束流负载效应前馈补偿的仿真评估

在高功率超导质子直线加速器中，束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型，开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序，分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响，并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序，评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度，以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下，为满足超导腔中电磁场0.1%与在高功率超导质子直线加速器中，束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型，开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序，分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响，并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序，评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度，以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下，为满足超导腔中电磁场0.1%与$0.1^{\circ}$的幅相稳定度指标，前馈时序抖动的偏差不能超过0.79 μs，束流流强的直流偏差不能超过0.9%，并且给出了束流纹波的最大抖动幅值与纹波频率之间的关系。这些结果将为CiADS超导直线加速器相关子系统技术指标的确定提供依据。     

Influence of group-delay ripple on timing jitter induced by SPM and IXPM in systems with dispersion compensated by CFBG

An analytical expression was proposed to analyze the influence of group-delay ripple (GDR) on timing jitter induced by self-phase modulation (SPM) and intra-channel cross-phase modulation (IXPM) in pseudolinear transmission systems when dispersion was compensated by chirped fiber Bragg grating (CFBG).Effects of ripple amplitude, period, and phase on timing jitter were discussed by theoretical and numerical analysis in detail. The results show that the influence of GDR on timing jitter changes linearly with the amplitude of GDR and whether it decreases or increases the timing jitter relies on the ripple period and ripple phase. Timing jitter induced by SPM and IXPM could be suppressed totally by adjusting the relative phase between the center frequency of the pulse and the ripples.     

Beam transport design for a 1 MeV prototype dielectric wall accelerator

The beam transport design of a novel proton dielectric wall accelerator is introduced in this paper. The protons will be accelerated from 40 keV to nearly 1 MeV under an accelerating gradient that is as high as 20 MV/m. A consideration of the beam line as well as the transport simulation is presented. The influences of the injection timing jitter and the accelerating pulse timing jitter are also discussed.     

强流脉冲驱动的X波段多注相对论速调管相位特性

相位特性是目前制约多注相对论速调管放大器进一步拓展应用的关键参数之一,为了有效提高器件输出微波相位的稳定性,利用一维非线性理论对X波段强流多注速调管放大器开展了理论研究,得到由强流脉冲特性引起的腔体杂频以及电子束运动速度变化率是造成输出微波相位波动的部分主要原因,同时基于18注实心电子束构成的X波段多注相对论速调管放大器开展了强流脉冲特性对输出微波频率和相位影响的数值计算,最后利用粒子模拟手段对理论结果进行验证。理论和模拟结果一致表明:强流脉冲的前沿和波动都将导致器件内实际工作频率的偏移,并引起相位波动;在脉冲前沿段,脉冲前沿长度越短,器件内实际工作频率偏移越大,相位波动幅度越大;在脉冲平顶段,脉冲波动导致的频率偏移与电压变化率相关,与电压的幅值无关,而脉冲电压波动导致的输出微波相位波动由电压变化率及其变化幅度两者共同决定。     

自由电子激光振荡器中电子束能量跳跃对增益的影响

 微脉冲中电子束能量、电流的跳跃会影响电子束的质量, 从而也影响激光的增益。在CAEP FIR FEL 理论设计模型参数的基础上,利用一维定态程序对电子束能量跳跃对增益的影响进行了数值研究,并与非定态程序计算结果进行比较,给出可容许的能量跳跃范围。     

Mode locking of an erbium-doped fiber laser with intra-cavity polarization modulation

Erbium-doped fiber lasers are normally actively mode-locked through amplitude modulation or phase modulation. In this paper, we demonstrate that the laser can also be mode-locked by employing polarization modulation with a polarization-dependent cavity loss. We obtain a nearly transform-limited mode-locked pulse train at 10 GHz repetition rate with timing jitter as low as 164 fs. The timing jitter is only limited by the timing jitter of the driving signal.     

光阴极RF腔注入器

 光阴极RF腔注入器是一种强流、窄脉冲(ps量级)、低发射度的电子束源。文章给出了CAEP光阴极RF腔注入器的结构和实验结果,结构主要包括驱动激光器、Cs₂Te阴极制备室、2.5个RF腔、高功率微波源和测量仪器等,其中驱动激光器的参数是影响注入器电子束质量的重要因素;实验上,该光阴极RF腔注入器可稳定输出能量2MeV、流强70A、发射度～4mm.mrad的高亮度电子束流。     

Equalization-enhanced phase noise induced timing jitter

In electronic digital signal processing based optical communication systems, digital equalization for chromatic dispersion interacts with local oscillator phase noise to produce equalization-enhanced phase noise (EEPN). In addition to both phase and intensity noises, EEPN also induces timing jitter to the equalized signal. For a 100?Gbit/s quadrature-phase-shift keying signal with laser linewidth of 300?kHz, the timing jitter is up to 20% of the symbol interval for a transmission distance of 1500?km.