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。     

曙光一号自由电子激光器的理论计算

系统总结曙光一号自由电子激光器理论计算的主要结果:包括曙光一号装置主要参数的选取和理解;磁场失谐曲线的计算;常参数摇摆器和变参数摇摆器的主要结果;高阶波导模的贡献;电子束参数扰动对激光性能的影响;空间电荷效应等。计算结果表明,常参数摇摆器激光输出功率可达80MW,效率约50％;变参数摇摆器激光输出功率可达250MW左右,效率约16％。     

变参数自由电子激光放大器的设计方法

据自由电子激光原理,利用变参数摇摆器设计可以大幅度提高自由电子激光放大器的效率,在分析文献中所提出的“单电子共振”和“磁场指数下降法”基础上,提出了变参数摇摆器的“多电子自洽设计和最佳选择”的设计方法。经数值计算证明,所提出的方法明显优于其它方法。     

一种高性能小周期摇摆器

介绍一种高性能小周期摇摆器的设计。采用槽型定位的分离状磁块,实现了磁场的半周期调节,对该摇摆器模型进行的测量表明,当摇摆器的周期λ_w=10mm,磁极间隙δ为5mm时,峰值磁场B_w=0.35T,磁场最大偏差δB_w/B_w<1.25％。     

新型高谐波分量摇摆器的研究

分析了提高摇摆器中谐波场分量的方法，提出了一种新型谐波摇摆器Ｕ形谐波摇摆器，并对其参数进行了优化。讨论了在Ｕ形谐波摇摆器中的电子轨迹和自发辐射谱。设计和制作了６个周期的模型以验证理论，并对模型进行了测量。     

新型高谐波分量摇摆器的研究

分析了提高摇摆器中谐波场分量的方法,提出了一种新型谐波摇摆器—U形谐波摇摆器,并对其参数进行了优化。讨论了在U形谐波摇摆器中的电子轨迹和自发辐射谱。设计和制作了6个周期的模型以验证理论,并对模型进行了测量,测量结果基本验证了理论设计。     

SG－1 FEL放大器实验初步分析

在摇摆场０．２６Ｔ，电子束能量３．３±０．１５ＭｅＶ，束流约６００Ａ时，ＳＧ－１ＦＥＬ常参数放大器实验最大功率约１０ＭＷ，指数增益约１９ｄＢ／ｍ。对实验进行了初步的分析讨论，并就实验时４ｍ长摇摆器功率未呈饱和、指数增益区右移现象与下一轮实验的改进提出了意见。     

射频自由电子激光器中光脉冲演化的模拟研究

用一维脉冲程序研究了自由电子激光器中光脉冲的演化过程。除了给出运转参数外，着重研究了脉冲的形状、位置抖动、能散度、光腔的同步失配等对光脉冲演化的影响。指出在同样条件下利用后倾的电子脉冲能够提高光脉冲能量的饱和值近一倍。     

曙光一号自由电子激光器(FEL)电子束发射度的分析

对曙光一号自由电子激光装置电子束发射度的测量值进行了深入的分析。严格地计算了不同发射度的束流在摇摆器内的传输,计算了发射度对激光功率的影响。由此得出,曙光一号自由电子激光器可以省去9米长的束流选择段。     

Picosecond laser oscillator with a cavity design for stable CW mode-locking operation

A detailed design of a picosecond laser oscillator is made by using optical resonance theory and semiconductor saturable absorber mirror continuous wave mode-locked technology. Mode parameters in the optical resonance including beam sizes on the laser crystal and mode locker are calculated. By theoretical calculations, 3.7 W output power is obtained at a pump power of 11 W and the optical to optical efficiency is 34% in the designed model of picosecond laser. Based on the detailed design, an experiment is proceeded and a picosecond laser oscillator of about 3.5 W output power with 10.6 W pump power is fabricated. The optical to optical efficiency of the laser is 33%, the pulse duration is about 20 ps, and the repetition rate is about 80.3 MHz. The oscillator presents long-term stability in the experiment.     

用于PKU-FEL注入器的腔式BPM的设计

设计了用于PKU-FEL注入器的腔式位置诊断装置。该BPM腔采用的偶极模TM110模的频率与PKU-FEL主加速器的基模频率一致,都是1.3 GHz;通过在圆形腔上镶入两个完全一致的矩形腔解决了腔式BPM的Cross-Talk问题。 根据PKU-FEL的设计要求,所设计的BPM腔的最小位置响应约10 mm,动态范围大于30 mm,时间响应小于束团间距。还估算了该BPM腔引起的束团功率损耗。结果表明,BPM腔引起的束团功率损耗是可以忽略的。     

北京大学DC-SC光阴极注入器的升级设计

 基于直流电子枪-超导加速腔（DC-SC）光阴极注入器样机的初步实验结果,北京大学提出了新的注入器的改进设计。新注入器核心结构包括皮尔斯枪和3+1/2超导腔。文章给出了它们的详细结构参数,然后采用程序,对注入器的束流动力学进行了模拟。结果发现：新注入器可以提供具有高束流品质、高平均流强的电子束,束团的电荷量100 pC,横向发射度低于2 mm·mrad,脉宽5 ps,rms束斑可达0.5 mm,重复频率81.25 MHz;也可以提供电荷量为300 pC低重复频率的高峰值流强的电子束,其横向发射度小于3 mm·mrad,脉宽约为9 ps,以满足北京大学自由电子激光（PKU-FEL）实验平台的要求。     

CAEP远红外100 μm FEL自发辐射谱的实验研究

在FEL实验中,电子束通过摇摆器,一方面由于周期性磁场作用,电子束轨迹要周期性的摆动,另一方面还要辐射同FEL辐射波长一致的自发辐射,该辐射谱反映电子束、摇摆器集成后的参数。在CAEP(Institute of China Academic Engineering Physics)远红外100 μm FEL实验中,自发辐射谱通过Ge∶Ga低温探头和远红外100 μm光栅谱仪测量。文章侧重从实际摇摆器磁场分析了远红外100 μm FEL的自发辐射谱。     

边耦合光腔用于远红外FEL的分析

 模拟了边耦合输出用于FIR FEL 的可实用性，证明这种输出方式适合于远红外FEL。分析且模拟了光腔各种输出参数（如输出功率、腔增益、耦合效率等）随输出镜尺寸及位置的变化规律，找出了最佳的输出镜尺寸及位置。并对谐振腔有漂移管和无漂移管两种情况进行了比较。通过移动或者更换输出镜（输出反射镜），改变输出镜尺寸和位置，可以灵活地选择和调节光腔的Q值。能适应实验不同阶段的需要：例如在实验初期可以提高Q值，增大净增益；而在做饱和实验时可以增大输出，使输出功率最大。     

用于PKU-FEL注入器的腔式BPM的设计

 设计了用于PKU-FEL注入器的腔式位置诊断装置。该BPM腔采用的偶极模TM₁₁₀模的频率与PKU-FEL主加速器的基模频率一致,都是1.3 GHz;通过在圆形腔上镶入两个完全一致的矩形腔解决了腔式BPM的Cross-Talk问题。 根据PKU-FEL的设计要求,所设计的BPM腔的最小位置响应约10 mm,动态范围大于30 mm,时间响应小于束团间距。还估算了该BPM腔引起的束团功率损耗。结果表明,BPM腔引起的束团功率损耗是可以忽略的。     

混合型波荡器的3维优化

 以波荡器辐射波和共振电子能及混合型波荡器的解析计算为基础，通过3维磁场的有限元计算，在欧洲光源横向优化基础上，给出了同步辐射和自由电子激光用混合型波荡器纵向优化参数，进而给出了用于DUV FEL混合型波荡器的设计计算参数。加侧位和顶部永磁块后，峰值磁场分别提高到0.722T和0.773T，辅助以1μm量级分辨率的磁间隙调节机械系统，磁场分辨率好于10^-4T量级。     

Static Field-Wave Coupling Theory for Cyclotron-Undulator Hybrid FEL with realizable Cusp Wiggler

The Static Field-Wave Coupling Theory for TE_mn mode Cyclotron-Undulator Hybrid FEL(CUHF) with realizable longitudinal periodic magnetic field (Cusp Wiggler) is established directly in the laboratory frame. By introducing the concept of imaginary beam, the wave—the fundamental spatial harmonic of the excited radiation field, and the static field—the realizabl Cusp Wiggler field, is found coupling by solving the 3rd order approximate Vlasov-Maxwell equation. The zeroth order approximate dispersion relation for fundamental undulation and harmonic cyclotron CUHF is obtained and simplified to the version of practical usage.     

用于高平均功率FEL的DC-SC光阴极注入器

 为获得用于高平均功率自由电子激光（FEL）的高平均流强电子束，设计了一种新型的DC-SC光阴极注入器。该注入器由皮尔斯直流引出结构、1+1/2超导腔和同轴功率耦合系统组成，可以提供高品质、CW模式或高占空比的电子束。对DC-SC光阴极注入器进行了优化设计和束流动力学研究。模拟和优化结果表明DC-SC光阴极注入器完全可以用于高平均功率自由电子激光。模型腔实验验证了理论模拟的可靠性。