提高相干谐波输出的一种新方法

本文利用自由电子激光(FEL)纵模统一理论讨论了光学速调管自由电子激光相干谐波的输出情况。从物理上分析了非对称光学速调管的设计,得出了采用非对称的光学速调管可使FEL的相干谐波输出提高近30％。     

曙光一号自由电子激光装置出光

为了对自由电子激光(FEL)进行基本物理研究,中国工程物理研究院设计建造了曙光一号自由电子激光装置(SFLE),并于1991年9月17日首次出光。     

X射线自由电子激光试验装置

X射线自由电子激光试验装置(以下简称"SXFEL试验装置")是中国第一台X射线相干光源,其输出波长小于9 nm。这台基于0.84 GeV直线加速器、以掌握装置相关技术和实验演示种子型自由电子激光(FEL)级联与短波长回声型FEL为主要目标的自由电子激光装置,于2020年11月通过国家验收。本文将介绍SXFEL试验装置的基本情况和主要进展。     

FEL振荡器的一维模拟计算

利用基于自由电子激光经典理论的一维模型的两个程序(MFEL1和FEL0),数值模拟了1.06μm自由电子激光振荡器的各物理参数的演化。MFEL1是考虑了Slippage效应的短脉冲多模计算程序,FEL0是没考虑Slippage效应的长脉冲单模计算程序。前者更能反映实际情况,后者能更细致地模拟光场与电子束在一次放大过程中的演化。计算表明,在短脉冲情况下,激光强度、品质、增益和能量抽取效率强烈依赖于电子束流强度,对一定范围的能散变化却不敏感;但在长脉冲情况下,上述物理量对能散在同样范围内的变化较为敏感。光强度的增益谱清楚地再现了小信号放大的Madey定理。在信号接近饱和时,增益谱的非零部分出现在远离共振频率的区域,这正是FEL中的边带不稳定性。     

孔耦合自由电子激光振荡器光场横向结构特性

 孔耦合输出对自由电子激光(FEL)振荡器腔内光场的横向结构有很大的影响, 在输出镜上横模之间发生很复杂的耦合转换。基于中物院远红外自由电子激光振荡器, 研究了 孔输出波导 FEL的数值模拟, 对孔耦合及其引起的腔内光场的变化给以特别的注意, 依据数 值结果, 分析了孔耦合FEL光场横向结构的特性。     

自由电子激光放大啁啾脉冲的数值模拟

 利用1维非定态程序对单程自由电子激光(FEL)放大器放大线性啁啾脉冲的过程进行了数值模拟,得到了不同啁啾参数的脉冲通过FEL放大器的增益曲线,计算了不同啁啾参数的脉冲被单程FEL放大器放大后的腔外压缩情况。通过对数值模拟结果的定性分析得出：影响输出脉冲宽度和峰值功率的主要因素是FEL放大器的增益线宽和啁啾参数,并以此说明,通过先使用FEL放大器放大啁啾脉冲、然后再将其在腔外压缩的方法产生超短脉冲FEL是可行的。     

高增益自由电子激光与晶体学发展

<正>高增益自由电子激光原理自由电子激光(Free Electron Laser,简写为FEL)是以相对论性电子束为放大介质、基于电磁辐射机制的相干光源。自由电子激光原理是20世纪70年代中期发展起来的,1976年,美国的梅迪(J.M.J.Madey)博士等人首次在实验上证实了振荡器型低增益FEL的原理,引起科技界极大的兴趣。20世纪80年代,科学家们提出了SASE(Self Amplified Spontaneous Emission,自放大自发辐射)高增益自由     

带Wiggler场平板型部分填充介质CFEL的切仑柯夫自由电子激光的动力学耦合模理论

用二维波动力学耦合模理论研究了带Wiggler场平板型部分填充介质的FEL。研究结果表明,该系统可用低能电子束产生对介质厚度无特殊要求的短波长FEL。适当选择参数,可使其增长率和效率高于普通自由电子激光和切仑柯夫自由电子激光,并证明本系统超辐射放大的工作主模应是纵向截面电场模。     

THz自由电子激光椭圆型耦合输出光腔

在对中国工程物理研究院高功率太赫兹（THz）自由电子激光（FEL）装置理论分析和设计的基础上,针对目前THz FEL光腔设计面临的主要难点,提出了椭圆型耦合输出光腔的设计方案,并对椭圆型耦合输出光腔代替传统FEL光腔的优势、光腔品质、耦合效率等进行了分析研究。研究表明,椭圆型耦合光腔的设计更适合目前THz FEL波导光腔的光斑特点,可使光腔输出功率提高33%以上,输出耦合效率即光腔品质可提高30%~70%;随着辐射频率的提高,椭圆孔耦合输出光腔的优势提高更为明显。     

光速调管FEL的小信号增益理论

 利用自由电子激光（FEL）纵模统一理论，系统地分析了光速调管FEL的小信号增益理论，并对色散参数Nd、束流能散度和发射度的影响进行了讨论。     

PKU-FEL设计的初步考虑

 北京大学在其超导加速器装置PKU-SCAF的基础上将建成一个红外自由电子激光实验平台PKU-FEL。它可以提供高稳定度、高平均功率、高谱纯度、ps脉冲的自由电子激光。给出了PKU-FEL的初步设计方案。     

北京自由电子激光装置的设计研究

北京自由电子激光装置(BFEL)是一台工作在中红外区的康普顿型FEL振荡器。由一台30MeV的射频电子直线加速器提供电子束。特点之一是用微波电子枪作为高亮度注入器。本文首先概述了BFEL的一般情形和物理参数.接着用解析公式和模拟的方法论证了电子束的设计目标和激光器的运转特征。最后阐述了BFEL各部分采取的技术路线的特点,内容包括微波枪、加速器和微波系统、调制器、输运系统、摇摆磁铁、光学腔、电子束诊断、准直、自发辐射和激光实验。     

北京大学SASE FEL的参数优化研究

SASEFEL是获得短波长X射线激光的最佳途径,SASEFEL的理论和实验研究是当前FEL研究的热点.本文利用北京大学超导加速器装置提供的电子束,通过解析理论和3D模型的数值模拟方法得到了实现SASEFEL的扭摆器的优化参数,并讨论了电子束的束流品质参数对SASEFEL的饱和长度和功率的影响,对加速器的设计和调试有重要的参考意义.     

自由电子激光中电子与辐射波相互作用有效时间的分析

利用已获得的大信号自由电子激光增益公式,导出了激光平均增长率表达式,分析了自由电子激光中电子与辐射波相互作用的有效时间,讨论了其主要物理参量对相互作用有效时间的影响 关键词：     

Parameter design considerations for an oscillator IR-FEL

An infrared oscillator FEL user facility will be built at the National Synchrotron Radiation Laboratory at in Hefei, China. In this paper, the parameter design of the oscillator FEL is discussed, and some original relevant approaches and expressions are presented. Analytic formulae are used to estimate the optical field gain and saturation power for the preliminary design. By considering both physical and technical constraints, the relation of the deflection parameter K to the undulator period is analyzed. This helps us to determine the ranges of the magnetic pole gap,the electron energy and the radiation wavelength. The relations and design of the optical resonator parameters are analyzed. Using dimensionless quantities, the interdependences between the radii of curvature of the resonator mirror and the various parameters of the optical resonator are clearly demonstrated. The effect of the parallel-plate waveguide is analyzed for the far-infrared oscillator FEL. The condition of the necessity of using a waveguide and the modified filling factor in the case of the waveguide are given, respectively.     

High-gain lasing and polarization switch with a distributed optical-klystron free-electron laser

This Letter reports the first experimental results from the world's first distributed optical-klystron (DOK) free-electron laser (FEL), the DOK-1 FEL, at Duke University. The DOK-1 FEL is a hybrid system, comprised of four wigglers: two horizontal and two helical. With the DOK-1 FEL, we have obtained the highest FEL gain among all storage ring based FELs at 47.8% (+/-2.7%) per pass. We have also demonstrated that the FEL gain can be enhanced by increasing electron bunching using wigglers with a different polarization. Furthermore, we have realized controlled polarization switches of the FEL beam by a nonoptical means through the manipulation of a buncher magnet.     

紧凑型自由电子激光THz源上四极磁铁的设计及测量

基于自由电子激光（FEL）的太赫兹源具有高功率、高效率、波谱范围宽且连续可调、波束质量好等显著优点,目前是获得最高输出功率的方法。紧凑型太赫兹源使整体装置小型化,减少了装置成本和占用空间,但依然可以提供高功率、高品质的太赫兹波束,是一种便利可靠的用户装置。由于空间限制,FEL上的磁铁要尽可能地减小其尺寸,并仍能满足束流参数设计要求。本文设计的四极磁铁磁轭孔径与有效长度,其中2块是64 mm100 mm,另外3块是45 mm100 mm。这些四极磁铁的磁场梯度可以达到0.6~1.9 Tm-1。采用Poisson和Oprra-3D软件进行四极磁铁的二维和三维仿真计算,设计优化四极磁铁的结构,并测量了加工完成后的四极磁铁的磁场。     

Possible application of X-ray optical elements for reducing the spectral bandwidth of an X-ray SASE FEL

A new design for a single pass X-ray Self-Amplified Spontaneous Emission (SASE) FEL is proposed. The scheme consists of two undulators and an X-ray monochromator located between them. The first stage of the FEL amplifier operates in the SASE linear regime. After the exit of the first undulator the electron bunch is guided through a non-isochronous bypass and the X-ray beam enters the monochromator. The main function of the bypass is to suppress the modulation of the electron beam induced in the first undulator. This is possible because of the finite value of the natural energy spread in the beam. At the entrance to the second undulator the radiation power from the monochromator dominates significantly over the shot noise and the residual electron bunching. As a result the second stage of the FEL amplifier operates in the steady-state regime when the input signal bandwidth is small with respect to that of the FEL amplifier. Integral losses of the radiation power in the monochromator are relatively small because grazing incidence optics can be used. The proposed scheme is illustrated for the example of the 6 nm option SASE FEL at the TESLA Test Facility under construction at DESY. As shown in this paper the spectral bandwidth of such a two-stage SASE FEL (Δλ/λ 5 × 10⁻⁵) is close to the limit defined by the finite duration of the radiation pulse. The average brilliance is equal to 7 × 10²⁴ photons/(s × mrad² × mm² × 0.1% bandw.) which is by two orders of magnitude higher than the value which could be reached by the conventional SASE FEL. The monochromatization of the radiation is performed at a low level of radiation power (about 500 times less than the saturation level) which allows one to use conventional X-ray optical elements (grazing incidence grating and mirrors) for the monochromator design.