《强激光与粒子束》“先进加速器光源”专辑征稿启事

正以自由电子激光、先进同步辐射、逆康普顿散射源、基于激光等离子体加速的新型光源等为代表的先进加速器光源的波长覆盖了从太赫兹到伽马射线,已经成为科学前沿及国家重大需求技术研究的重要工具,同时也是国际上最为活跃的科学研究领域之一。国家在先进加速器光源方面已经经过了长时间的布局,多个大型科学设施正在建设或即将开始建设。为分享我国在该领域的最新进展,研讨未来发展方向,促进学术交流,推动相关领域向纵深发展。《强激光与粒子束》编辑部邀请本刊副主编清华大学唐传祥教授作为专辑主编、中物院流体物理研究所石金水研究员和中国科技大学国家同步辐射实验室王琳教授为共主编,组织出版"先进加速器光源"专辑(预计2021年下半年出版),现公开征集领域高水平研究论文及综述。     

衍射极限储存环的基本原理与技术

正一、粒子加速器与同步辐射光源的发展20世纪以来,人类社会生产力的飞跃进步与科学家们对物质微观构成和量子现象的深入认知紧密关联,而基于加速器的大科学装置已成为研究微观世界最重要的工具之一。科学家们在加速器上发展了现代核物理与粒子物理学科,之后,基于电子储存环的同步辐射光源又经历了三代的发展。第一代同步辐射光源"寄生"地利用高能物理实验储存环中产生的同步光。在此过程中,原来仅仅是高能物理加速器寄生产物的同步辐射日益受到重     

封面故事

正加速器光源作为综合性、基础性大科学设施,是推动科学和技术进步的有力工具。目前加速器光源的主力军为同步辐射光源和自由电子激光,二者可分别提供高重频和高峰值亮度的辐射光,而在短波长范围内鲜有光源能同时实现二者的特性。近期,清华大学工程物理系唐传祥课题组与合作者,     

强流加速器基于空间限束的亚毫米焦斑产生技术研究

焦斑大小是评价加速器性能的关键指标之一,减小焦斑尺寸可以有效提高闪光照相中对客体成像的空间分辨能力。本文研究设计空间限束结构,减小加速器光源焦斑的有效尺寸降低成像几何模糊。采用蒙特卡罗方法对电子束打靶产生轫致辐射和光子穿过空间限束结构的成像过程进行模拟,分析采用不同空间限束结构时光源有效焦斑的分布及大小、光子角度分布和能谱分布等特征参数。理论计算结果表明,通过空间限束可以使强流加速器光源焦斑FWHM减小至亚毫米量级。     

第三代同步辐射光源X射线相干性测量研究

随着高性能第三代同步辐射光源的建成开放,基于X射线相干特性的实验方法得到了快速发展和广泛应用.作为一个典型的例子,X射线相位衬度成像已经成为常规的X射线实验方法并向用户开放.相干散射、相干衍射成像、光子关联谱等X射线实验方法正日益受到重视,在高空间分辨、时间分辨等研究领域已显示出其独特的优越性.因此,研究和测量第三代同步辐射的空间相干特性对进一步发展这些新的实验方法具有重要意义.基于Talbot自成像原理成功测量了上海光源X射线成像线站发射的X射线的空间相干长度,并进而测得了相应光源的空间尺度.光子能量为33.2 keV时,测得的X射线光束垂直方向空间相干长度为8.84μm,对应的光源尺寸为23μm,测量结果与理论分析相符.     

国际粒子加速器的前沿

人类对于微观世界的探索是粒子加速器发展的驱动力.粒子加速器从20世纪30年代问世以来,不断向更高能量和更好性能挺进.随着研究的深入,粒子加速器一步步从低能发展到高能,从弱聚焦发展到强聚焦,从打静止靶发展到粒子束对撞.更高的能量和更高的亮度是用于高能物理研究的加速器发展的两大前沿.作为多学科研究的平台,同步辐射光源、自由电子激光和散裂中子源等基于加速器的大科学装置也在蓬勃发展.各种低能加速器广泛地应用于国民经济的各个领域.新方法、新技术、新原理层出不穷.文章将讨论国际粒子加速器的前沿.     

石墨烯-硅基混合光子集成电路

近年来硅基光子学已经慢慢走向成熟,它被认为是未来取代电子集成电路,实现下一代更高性能的光子集成电路的关键技术.这得益于硅基光子器件与现代的互补金属氧化物半导体工艺相兼容,能够实现廉价的大规模集成.然而,由于受硅材料本身的光电特性所限,在硅基平台上实现高性能的有源器件仍然存在着巨大挑战.石墨烯-硅基混合光子集成电路的发展为解决这一问题提供了可行的方案.这得益于石墨烯作为一种兼具高载流子迁移率、高电光系数和宽带吸收等优点的二维光电材料,能够方便地与现有硅基器件相集成,并充分发挥自身的光电性能优势.本文结合我们课题组在该领域研究的一些最新成果,介绍了国际上在石墨烯-硅基混合光子集成电路上的一些重要研究进展,涵盖了光源、光波导、光调制器和光探测器四个重要组成部分.     

全光汤姆孙散射

随着激光和加速器技术的发展,激光场强度和粒子能量也有所提升,在高场强和高电子能量的条件下,电子与光子的汤姆孙散射过程将达到高度非线性状态,在这种状态下会发生多光子效应,即单个电子同时与多个光子相互作用并辐射一个高能光子,此过程通常称为多光子汤姆孙散射.当场强和粒子能量变得更高时,需要引入量子电动力学理论来解决极端光场物理中的动理学过程.近期,全球多台数拍瓦激光装置逐渐投入使用,激光等离子体相互作用中的此类效应会变得极其显著.而全光汤姆孙散射成为目前研究极端光场物理最佳的实验方案,因此,系统地研究全光多光子汤姆孙散射是本领域未来十年极其重要的方向.本文对近年来全光汤姆孙散射实验从单光子、低阶多光子到高阶多光子的研究进展进行了综述,并对其未来的发展方向进行了展望.另外,伴随着散射过程产生的准直高亮X/伽马射线,有望发展成为具有重要应用价值的紧凑型超亮高能光源.     

超薄二维材料非线性量子光源

<正>随着量子科学的不断发展，量子系统的规模也在不断扩大。相比传统的空间量子光学系统，集成量子光学系统能够稳定支持大规模量子系统，是量子科学未来发展的重要方向。集成量子光学系统由多个部分组成，其中为系统提供量子资源的部分是集成量子光源。现有量子光源主要分为三类：衰减相干脉冲单光子源、确定性单光子源和自发非线性过程产生的时间关联光源。     

相干谐波储存环自由电子激光

相干谐波自由电子激光不用光学谐振腔及反射镜,可望工作在紫外和真空紫外光波段,是第四代同步辐射光源的可能途径之一。由于对束流品质要求很高,相干谐波自由电子激光首先是以储存环作为驱动器而发展起来的。由于光阴极微波电子枪的发展和直线加速器技术的进步,目前,已开始有直线加速器驱动的高增益相干谐波自由电子激光的建议。文章介绍了相干谐波储存环自由电子激光的原理、现状及展望。     

基于能量回收技术的光源——ERL光源

能量回收技术将使用后的电子束进行能量回收,用于加速后续束团,可大大减少加速器消耗的射频功率和有害辐射。基于能量回收技术的光源除节能环保外,还具有束团短、发射度低的特点,可有效提高光源的峰值亮度和相干性,是一种很有潜力的未来先进光源。介绍能量回收直线加速器技术的基本原理、相关关键物理问题和技术以及能量回收直线加速器发展现状,最后简要介绍几个国际上提出的典型能量回收直线加速器光源方案。     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:(6)代表性的应用

综合介绍了高重复频率脉冲功率在材料、环保、生物·医疗、光源和高能加速器领域的代表性应用。采用脉冲功率的离子注入和表面改性已经被用于工业产品。废气和废液处理的研究成果正在向实用化接近。使用脉冲电场的杀菌和癌症治疗正在吸引很多学者和厂家,因此脉冲功率在生物医学领域的应用前景是非常乐观的。另外,决定未来集成电路工艺标准的极紫外光源已逐步走向生产线。高能加速器上的闸流管会渐渐被功率半导体器件取代。     

用于直线感应加速器光源焦斑测量的双锥厚针孔结构设计

研究设计双锥厚针孔结构体,利用小孔成像测量高能强流直线感应加速器光源的焦斑。建立数值计算模型,根据实际光源特性和实验布局条件,模拟光子穿过厚针孔结构的辐射成像过程,分析光源尺寸、分布和偏轴等对焦斑测量的影响。理论计算结果显示对光源物面的空间分辨率可达5 lp/mm。     

标记单光子源在量子密钥分发中的应用

本文主要介绍标记单光子源的制备、特性,及其在3种主流量子密钥分发(BB84,测量设备无关,双场)协议中的应用与发展,同时通过对比标记单光子源和基于弱相干态光源在同类协议中的性能,分析讨论不同光源的优缺点.此外,针对双场量子密钥分发协议中对单光子干涉特性的要求,分析了标记单光子源在双场协议应用中的局限性,并讨论了可能的解决方案,对今后发展实用化量子保密通信系统将起到有价值的指导和推进作用.     

上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望

激光康普顿散射(Laser Campton Scattering, LCS)光源,是一种基于相对论电子束与激光光子相互作用的新型X-ray或Gamma-ray光源。它具有能量高、波长短、脉冲快和峰值亮度高的特性,已成为国际先进光源技术的重要选项之一。本文介绍了激光康普顿散射光源的产生原理、国内外发展现状以及目前国际上运行和在建的激光康普顿散射光源装置,其中重点介绍了上海光源二期正在建设的上海激光电子伽马源(Shanghai Laser Electron Gamma Source, SLEGS)装置,以及在这一光源装置上可以开展的核物理、核天体物理、核废料处理及核医学应用等研究。随着上海软X射线自由电子激光试验装置(Soft X-ray Free Electron Laser, SXFEL)升级为用户装置,以及未来十三五国家重大科技基础设施-硬X射线自由电子装置(Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility,SHINE)的建设完成,基于直线电子加速器(LINear ACcelator, LINAC)的康普顿散射光源的伽马能量将会达到GeV量级的高能量。超短脉冲、高极化度、高通量的激光康普顿散射光源将迎来新的发展机遇,基于康普顿伽马光源的核物理、天体物理、粒子物理及应用基础研究也必将迈上一个新台阶。     

70 W全光纤超连续谱光源

 超连续谱光源在很多领域具有广泛而重要的应用,过去40多年一直是国际研究热点之一。但一方面由于普通双包层光纤与光子晶体光纤模场不匹配会导致较高的熔接损耗和耦合损耗;另一方面受高质量超快光纤脉冲激光器输出平均功率的限制,目前超连续谱光源的最高输出平均功率只有50 W。报道了一种全光纤结构的超连续谱光源,输出平均功率为 70 W。由于整个装置采用一种新的超连续谱形成机制,较好解决了普通双包层光纤与光子晶体光纤由于模场不匹配导致的较高熔接损耗和耦合损耗;降低了对脉冲泵浦源光谱质量的要求。     

利用虚光子和康普顿散射对同步辐射的分析

 从虚光子的康普顿散射出发,给出了一种对同步辐射进行解释的新理论。当带电粒子在加速器中做圆周运动时,加速器的磁场可以看作周期静磁场,可以等效为虚光子。当该虚光子与加速器中运动的带电粒子发生康普顿散射时,就会转换为实光子辐射出去。给出了同步辐射实光子的波长的计算公式,并从合肥国家同步实验室和北京同步辐射装置的峰值特征波长以及斯坦福直线加速器中心的 E_c/ E_e³值、强磁场中子星极区的同步辐射等方面验证了该公式的正确性。     

表面等离子体激元的若干新应用

表面等离子体激元（SPPs）是在金属和介质界面传播的一种波动模式。本文首先叙述了SPPs的相关特性和激发方式,给出了一种基于表面等离子体激元共振（SPR）场增强原理产生相干极紫外辐射的方法,利用该方法可极大地提高光源的光子流量。分析了SPPs在生物及医疗领域的新应用,并对其在治疗癌症方面的技术原理进行了讨论。介绍了SPPs在新型光源和能源领域的发展和应用情况,综述了SPPs在太阳能电池、光子芯片以及集成电路方面的新工艺和新技术,包括最近几年来所取得的一些重要成果。最后讨论了SPPs在光存储方面的快速发展和巨大贡献。     

二维光子晶体提高C波段LED出光效率的研究

片上集成光源是未来光电子系统中光源发展的主要趋势,LED光源作为片上集成光源的主要缺点是其出光效率低,二维光子晶体是提高LED出光效率的有效手段。本工作设计了C波段LED的基本结构及参数,并采用时域有限差分法计算了不同阵列不同占空比的二维光子晶体能带结构,利用禁带理论选取提高C波段LED出光效率的最优二维光子晶体结构参数,结果表明三角排列空气孔二维光子晶体晶格常数a=500 nm且占空比R_p=0.44的光子晶体结构最优。     

基于矢量衍射理论的振幅型光子筛设计与分析

光子筛作为一种新兴的纳米成像器件,具有分辨力高、体积小、重量轻、易复制等优点,被广泛地应用到纳米光刻、大型天文望远镜、航空航天摄像等领域。为了追求高分辨力,须将光子筛的小孔直径做得非常小,但当光子筛的小孔直径远小于入射光波波长时,标量衍射理论已不再成立,必须采用矢量衍射理论来进行光子筛的设计。利用矢量衍射理论建立了光子筛的衍射模型,并基于此模型进行了光子筛结构的设计与优化。为了考察模型的有效性,进行了数值模拟。数值模拟结果表明,基于矢量衍射模型设计的光子筛的聚焦性能良好;在近场区,标量衍射模型不再适用,而矢量衍射模型却能较好地满足设计要求。