超高增益的微型自由电子激光器

我们研究了自由电子激光的增益特征,发现一类具有超高增益的微型自由电子激光器,这类激光器位于远红外谱区,它由具有高质量电子束的射频直线加速器,微型摇摆器和毛细波导管组成。     

基于光栅结构的自由电子激光波荡器（特邀）

波荡器是自由电子激光器的关键技术部件,目前常规的波荡器主要由磁体构成,利用磁场实现电子束偏转振荡,将电子束能量耦合至激光场。本文提出一种基于光栅表面电场的电波荡器机制,以发展自由电子激光器的小型化技术。阐述了该波荡器的基本原理及电子束在波荡器中的运动规律,推导了该方案下的自由电子激光波长及增益,对所采用的光栅表面电场进行二维仿真,并对电子束进行了跟踪仿真,计算了能量10 MeV电子束产生的激光增益为0.43,验证了基于光栅结构的微纳波荡器方案的可行性。     

自由电子激光在紫外及远红外端取得新进展

近来,自由电子激光在短波长端(紫外)和长波长端(远红外)取得了新进展[1].法国Orsay一研究组利用ACO储存环的电子束(166MeV)获得波长为1.06μm的高功率脉冲Nd:YAG激光的三次谐波输出,即波长为3550A的近紫外光.他们认为,如用波长为2480A的准分子激光作为输入光源就可得到827A的三次谐波输出,从而进入极紫外范围. 这里所遇到的技术问题是空气及材料对真空紫外的吸收.其次,增益与频率的二分之三次方成反比,当激光波长缩短时,激光器的长度必须增加.他们的激光器长度为1.3m. 他们认为,如果有一储存环为5m的直线段可供自由电子激光器使用,就…     

X射线自由电子激光:原理、现状及应用

<正>20世纪70年代,研究人员提出了自由电子激光的概念并建造了远红外自由电子激光器。随后,许多国家都开展了相关的理论研究与实验探索,并于21世纪初建造了X射线波段的自由电子激光器。X射线自由电子激光器是一种基于直线电子加速器的大型科学研究装置,可以产生波长可调的     

波导自由电子激光振荡器的三维数值模拟

 建立了带波导的自由电子激光振荡器方程组，能够描述光场衍射、孔耦合输出以及电子运动、腔镜倾斜等三维问题。采用整体数值（INEX）模拟方法，研究了中国工程物理研究院（CAEP）远红外自由电子激光装置的三维问题与横模结构。结果表明：激光器的横模品质好，孔耦合输出方式下仍然是基模为主，在腔功率中所占份额约87%。研究了电子束偏入射、斜入射、腔镜倾斜等不同轴（misalignment）因素对激光器的增益、功率、输出、横模结构等的影响，并给出了最大允许值。     

双波荡器自由电子激光理论

给出了双波荡器自由电子激光器的通用理论.在双波荡器自由电子激光器中,引入了一个周期长度非常接近主波荡器中电子束感应加速振荡周期的附加波荡器.推导出了一套自治方程组描述双波荡器中自由电子激光场演变过程,并分别给出了低增益、高增益和饱和三种情况下的解析解.研究表明,适当选择附加波荡器的参数,可以提高自由电子激光器的增益或转换效率     

远红外自由电子激光器的整体数值模拟

 基于中物院远红外自由电子激光装置，采用一种注重横向问题的整体数值模拟方法进行了计算。并将结果与随机抽样的计算结果作了比较，发现两者差异较大，自由电子激光的性能强烈地依赖于电子束性质。采用这种整体数值模拟方法对于较准确地计算和预计自由电子激光器诸光学参量是必要的。     

远红外自由电子激光器的带宽扩展

本文研究了波导尺寸、电子束能量、摇摆器周期及磁场强度对波导型自由电子激光带宽的扩展作用，文中给了带宽约４００μｍ的远红外（工作波长６００－１０００μｍ）自由电子激光振荡器的设计参数，并对有关工程问题进行了讨论。     

北京自由电子激光器的光学速调管结构

采用KMR方程,结合即将运转的北京自由电子激光器总体实验参数,对其光学速调管结构研究.详细分析计算输入功率、电子束能散度、色散磁场、漂移空间长度及位置、以及电子束流等参数对光学速调管增益的影响.基于北京自由电子激光器的振荡器结构,提出一组对电子束能散度要求适中的实用化光学速调管参数.并对其饱和功率、功率谱以及渐变摆动器进行分析.     

自由电子激光的预群聚

研究了自由电子激光预群聚产生的辐射,表明预群聚不仅可以提高效率而且使低增益得到增强,从而在理论上解释了由射频直线加速器驱动的自由电子激光预群聚器(prebuncher)的作用。同时还指出,预群聚有在不增加电子束能量情况下缩短激光波长和降低对电子束质量要求等作用。     

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。     

Design and performance of a far infrared,free-electron laser

Abstract

The free-electron laser (FEL) is a device that is capable of high peak and average power, with broad tunability, and with a time structure that can be as short as one picosecond. In the far infrared (λ = 100 ? 1000μm) portion of the spectrum the energy of the electron beam is not too high, there are few alternative bright sources, and there are a variety of interesting applications. Thus, the far infrared (FIR) is a likely region for the development of a table-top FEL that would be a useful laboratory instrument. In this paper the design of a FIR FEL is presented, and its performance characteristics are evaluated.     

FEL光学速调管的升级性能分析

通过三维磁场的有限元计算,给出了自由电子激光（FEL）研究用光学速调管升级后的磁参数。国家同步辐射实验室合肥光源（HLS）电子储存环能量可以日常运行在200～800 MeV间,为了与电子储存环能量匹配,并在较高束电子能量下进行实验和得到较多的相干辐射光子,光学速调管从原来的对称结构升级成非对称结构,用于HLS储存环谐波产生FEL实验。给出了升级后非对称光学速调管的几组匹配磁参数,用于在HLS储存环注入能量和可以运行的最高能量下进行谐波FEL实验。初步计算表明,HLS 储存环电子束性能优越,能散很低,FEL实验用最高能散仅为2.05×10-4,相应FEL辐射的能散修正因子在0.96以上,可以忽略不计。     

慢波介质自由电子激光器

本文采用一维流体模型导出了慢波介质自由电子激光器的线性色散方程,建立了电子和波相互作用的同向回旋同步机理和反向回旋同步机理.     

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。     

Optimization of the lattice function in the planar undulator applied for terahertz FEL oscillators

Since the beta function of the electron beam within the undulator has a great influence on the power gain of the free electron laser (FEL), optimization of the undulator lattice becomes important. In this paper, the transfer matrix of the planar undulator is obtained from differential equations of the electron motion. Based on this, the lattice function of the planar undulator in a terahertz FEL oscillator proposed by Huazhong University of Science and Technology (HUST-FEL) is optimized and the expressions of the average beta function are derived. The accuracy of the optimization result was confirmed well by the numerical method. The application range of this analytical method is given as well. At last, the emittance growth in the horizontal direction due to the attenuation of the magnetic field is discussed.     

Self-field effects on electron dynamics in a three-dimensional helical wiggler free-electron laser with axial magnetic field

An analytic linear theory of the electron dynamics in a three-dimensional helical wiggler free electron laser (FEL) with axial magnetic field is presented. Orbits are obtained by perturbing the steady state-trajectories in order to determine the characteristic frequencies Ω_± of the FEL. The effect of the self-fields on electron dynamics is studied and modified steady-state orbits and their stabilities have been analysed considering variation of electron energy and density. Among the features encountered is that in both group-I and group-II, one of the characteristic frequencies may have either signs affecting then the stability of the motion, while in group-II operation a repulsion of the frequencies at a pseudocrossing leads to highly perturbed trajectories when the wiggler frequency is approximately half the cyclotron frequency. Self-fields effects can significantly impair the stability of the electron orbits. For group-I orbits, they are more important for higher wiggler frequencies and lower beam energies. For group-II orbits, they remain less important for higher wiggler frequencies and lower beam energies before reaching the inversion zone, then they behave as for group-I orbits. It should be remarked that self-fields shift the inversion zone towards higher cyclotron frequencies the thing that is obtained by either decreasing the wiggler frequency or increasing the beam energy. It is shown that the axial velocity-induced self-magnetic field has a diamagnetic effect for both groups orbits, while the wiggler-induced self-magnetic field has a diamagnetic effect for group-I orbits and a paramagnetic effect for group-II orbits. The paramagnetic and diamagnetic effects are more important for higher beam energies and densities.     

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。