太赫茲自由電子激光的受激飽和實(shí)驗(yàn)?

黎明楊興繁許州束小建魯向陽(yáng)黃文會(huì)王漢斌竇玉煥沈旭明單李軍鄧德榮徐勇柏偉馮第超吳岱肖德鑫王建新羅星周奎勞成龍閆隴剛林司芬張鵬張浩和天慧潘清李相坤李鵬劉宇楊林德劉婕張德敏李凱陳亞男

1)(中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所,綿陽(yáng) 621900)

2)(四川省國(guó)防科技工業(yè)辦公室,成都 610051)3)(北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所,北京 100094)

4)(北京大學(xué)重離子物理研究所,北京 100871)

5)(清華大學(xué)工程物理系,北京 100084)

(2017年11月9日收到;2017年12月21日收到修改稿)

1 引 言

從Madey[1]于1971年首次提出自由電子激光(FEL)原理至今的47年里,世界上至少已建成了51臺(tái)FEL裝置,并有20臺(tái)以上的裝置在建或計(jì)劃建造[2].這些FEL裝置目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從太赫茲到硬X射線譜段的激光出光[3?6],并作為目前最高峰值亮度的先進(jìn)光源推動(dòng)了生命科學(xué)、信息技術(shù)、材料等多個(gè)學(xué)科的進(jìn)步[7?10],成為當(dāng)前研究物質(zhì)世界的強(qiáng)有力工具.

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,我國(guó)針對(duì)FEL開(kāi)展了大量理論與實(shí)驗(yàn)研究[11?15].1993年,分別代表諧振腔型技術(shù)路線和放大器型技術(shù)路線的“北京自由電子激光”(BFEL)[16]和“曙光一號(hào)”自由電子激光[17]出光;2005年,中國(guó)工程物理研究院遠(yuǎn)紅外自由電子激光獲得受激輻射[18];2012年,中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所世界首臺(tái)回聲放大型自由電子激光出光[19];2017年,中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所深紫外自由電子激光出光[20].上海應(yīng)用物理研究所目前正在調(diào)試國(guó)內(nèi)首臺(tái)軟X射線自由電子激光[21],未來(lái)還將在上海建設(shè)國(guó)內(nèi)首臺(tái)硬X射線自由電子激光裝置[22].

近幾年隨著太赫茲(THz)技術(shù)的迅猛發(fā)展,在FEL輻射的長(zhǎng)波長(zhǎng)一端,THz FEL獲得了非常高的關(guān)注度.全世界計(jì)劃未來(lái)建造的20臺(tái)FEL裝置中就有8臺(tái)能工作在THz波段[2],這充分說(shuō)明THz FEL在FEL領(lǐng)域占據(jù)熱點(diǎn)位置,并將為諸如強(qiáng)光場(chǎng)下THz非線性效應(yīng)等基礎(chǔ)研究提供先進(jìn)穩(wěn)定的光源[23?25].國(guó)內(nèi)前期在加速器驅(qū)動(dòng)的搖擺器超寬帶THz輻射源開(kāi)展了大量工作,包括上海應(yīng)用物理研究所[26]、北京大學(xué)[27]和清華大學(xué)[28]都進(jìn)行了相關(guān)研究,但搖擺器超寬帶輻射源中心頻率調(diào)節(jié)范圍一般不易大于1 THz,且頻譜寬度較寬.長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)都缺乏一臺(tái)工作在THz頻段、調(diào)節(jié)范圍足夠?qū)挼淖杂呻娮蛹す馄?

由中國(guó)工程物理研究院牽頭,北京大學(xué)、清華大學(xué)等多家單位聯(lián)合研制的高平均功率THz自由電子激光裝置(CTFEL)是國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于光陰極高壓直流電子槍和超導(dǎo)射頻加速器,工作在高重復(fù)頻率、高占空比狀態(tài)下的THz自由電子激光器[29?32].CTFEL采用諧振腔型技術(shù)路線,于2017年8月29日首次實(shí)現(xiàn)受激飽和出光[33].本文主要介紹CTFEL裝置的系統(tǒng)組成以及受激飽和的實(shí)驗(yàn)情況.

2 裝置系統(tǒng)組成

CTFEL裝置布局示意見(jiàn)圖1,裝置的主要參數(shù)如表1所列.裝置采用諧振腔型FEL技術(shù)路線,主要包括直流高壓光陰極電子源系統(tǒng)、射頻超導(dǎo)加速器、平面型搖擺器、激光諧振腔、THz傳輸與測(cè)量系統(tǒng)等.高亮度電子束由波長(zhǎng)532 nm的皮秒驅(qū)動(dòng)激光從砷化鎵光陰極表面激發(fā),由高壓直流電子槍發(fā)射,經(jīng)過(guò)發(fā)射度補(bǔ)償和微波聚束后,進(jìn)入兩段由2 K超流氦冷卻的4-cell TESLA型超導(dǎo)射頻加速腔,獲得6—8 MeV能量,再經(jīng)過(guò)消色散段,最終進(jìn)入搖擺器產(chǎn)生THz自發(fā)輻射.THz自發(fā)輻射在光腔中諧振,并受激放大獲得飽和輸出.

圖1 CTFEL裝置布局示意圖Fig.1.Layout of CTFEL facility.

表1 CTFEL裝置主要參數(shù)Table 1.Main parameters of CTFEL facility.

2.1 高亮度電子源系統(tǒng)

高亮度電子源系統(tǒng)主要包括砷化鎵光陰極制備系統(tǒng)、load-lock系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)激光以及高壓直流電子槍(DC gun).DC gun結(jié)構(gòu)如圖2所示[34,35],槍體為四通型,徑向尺寸達(dá)到Φ500 mm以降低電極表面場(chǎng)強(qiáng);高壓絕緣子采用電荷泄放型陶瓷絕緣子,提高強(qiáng)電場(chǎng)工作穩(wěn)定性;陰極支撐桿和地電位之間加一電極,降低陰極支撐桿表面電場(chǎng)強(qiáng)度;絕緣子外表面為5 atm(1 atm=1.013×105Pa)的SF6氣體絕緣,并置空間非均勻分布金屬環(huán)分壓;超高真空由三極濺射離子泵和非蒸散吸氣泵(NEG)的組合實(shí)現(xiàn).通過(guò)烘烤、NEG等一系列手段,工作狀態(tài)下的真空度穩(wěn)定在3×10?9Pa左右,電子槍出口處電子束動(dòng)能約為200—350 keV,目前工作在320 keV.

圖2 CTFEL高壓直流電子槍外觀及細(xì)節(jié)示意圖Fig.2.Appearance and detail of the CTFEL highvoltage direct-current gun.

2.2 射頻超導(dǎo)加速器系統(tǒng)

射頻超導(dǎo)加速器系統(tǒng)包括超導(dǎo)加速器、低溫系統(tǒng)、微波源系統(tǒng)和低電平控制系統(tǒng)[36].

2×4-cell超導(dǎo)加速器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,加速器核心部件為兩只4-cell TESLA型超導(dǎo)加速腔,其內(nèi)部建立1.3 GHz TM010模式的電磁場(chǎng),電子束從超導(dǎo)腔中心經(jīng)過(guò),受腔內(nèi)部的電場(chǎng)作用獲得加速.大功率微波耦合器用于將微波源產(chǎn)生的功率傳輸至超導(dǎo)腔內(nèi)部建場(chǎng),最大可傳輸功率達(dá)到30 kW以上(連續(xù)波(CW)模式).為獲得高品質(zhì)的電子束,采用低電平控制系統(tǒng)維持超導(dǎo)腔內(nèi)電磁場(chǎng)的幅、相穩(wěn)定度分別好于0.05%和0.1?.同時(shí),由于抽真空降溫、麥克風(fēng)效應(yīng)、洛倫茲失諧等作用,將導(dǎo)致超導(dǎo)加速腔失諧,調(diào)諧器用于將超導(dǎo)加速腔在2 K下的工作頻率穩(wěn)定在1.3 GHz.此外,低溫恒溫器為超導(dǎo)加速腔提供低溫低磁的工作環(huán)境,設(shè)有2 K和80 K兩層低溫層,以減小低溫系統(tǒng)熱損.恒溫器外筒和內(nèi)磁屏蔽層共同用于磁屏蔽,實(shí)現(xiàn)內(nèi)部磁場(chǎng)環(huán)境低于12 mGs(1 Gs=10?4T).

圖3 2×4-cell超導(dǎo)加速器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3.A schematic of the 2×4-cell superconducting accelerator structure.

基于高階模、束載、能散、工作環(huán)境等方面的物理分析,我們對(duì)2×4-cell超導(dǎo)加速器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與制造.目前加速器已實(shí)現(xiàn)2 K下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,平均加速梯度可達(dá)到10 MV/m以上,實(shí)現(xiàn)電子束增能6—8 MeV可調(diào).

2.3 搖擺器和光腔系統(tǒng)

CTFEL包括一臺(tái)Halbach結(jié)構(gòu)的混合型永磁搖擺器,其周期長(zhǎng)度為38 mm,有42個(gè)標(biāo)準(zhǔn)周期,間隙在18—32 mm之間可調(diào),最小間隙下峰值磁場(chǎng)可達(dá)0.55 T.搖擺器機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電機(jī)和光柵尺閉環(huán)控制,間隙調(diào)節(jié)分辨率為1μm.單電子軌跡中心偏移小于0.1 mm.橫向磁場(chǎng)好場(chǎng)區(qū)大于12 mm,好場(chǎng)區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)誤差小于0.1%.

CTFEL采用光學(xué)諧振腔實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的受激增益,光場(chǎng)被束縛在腔鏡之間的波導(dǎo)中,波導(dǎo)可有效降低傳輸損耗.光腔采用下游腔鏡孔耦合輸出,耦合孔直徑為2.4 mm,耦合輸出效率為2%左右(計(jì)算值).腔鏡采用銅材料表面鍍金,反射率優(yōu)于95%.

3 THz光測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)布局及測(cè)試原理

THz傳輸光路如圖4所示.THz由激光諧振腔下游腔鏡耦合輸出孔輸出,再經(jīng)過(guò)隔離真空環(huán)境和氮?dú)猸h(huán)境的熔融石英輸出窗進(jìn)入擴(kuò)束整形系統(tǒng)中,經(jīng)過(guò)傳輸管道,穿過(guò)輻射隔離墻,進(jìn)入到位于實(shí)驗(yàn)室用戶間內(nèi)的聚束收集系統(tǒng)(為標(biāo)示簡(jiǎn)單,分別采用一塊凹面鏡標(biāo)示整個(gè)擴(kuò)束整形系統(tǒng)和聚束收集系統(tǒng)),經(jīng)過(guò)聚束后穿過(guò)邁拉膜(Mylar)輸出窗進(jìn)入位于大氣環(huán)境中的THz測(cè)量系統(tǒng).

圖4 THz傳輸光路示意圖Fig.4.Layout of THz transmission.

THz測(cè)量系統(tǒng)光路如圖5所示.THz由聚束收集系統(tǒng)的邁拉膜輸出窗輸出,傳入功率計(jì)測(cè)量THz宏脈沖能量,透過(guò)功率計(jì)的THz光進(jìn)入傅里葉光譜儀(Bruker VERTEX 80V型)進(jìn)行頻譜測(cè)量,在功率計(jì)表面反射的THz進(jìn)入到高靈敏快響應(yīng)的鍺摻鎵低溫探測(cè)器中測(cè)量宏脈沖波形.

THz宏脈沖內(nèi)平均功率測(cè)量采用Thomas Keating Instruments(以下簡(jiǎn)稱TK)的功率計(jì),該功率計(jì)在測(cè)量較低占空比時(shí)不能工作在功率測(cè)量模式,只能工作在能量測(cè)量模式.測(cè)量時(shí)激光照射在能量計(jì)窗口,THz光能量在探測(cè)器上沉積產(chǎn)生電壓信號(hào),電壓信號(hào)的幅值與沉積能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系事先已經(jīng)經(jīng)過(guò)計(jì)量單位標(biāo)定,標(biāo)定系數(shù)為r=0.233 mV·μJ?1.利用示波器測(cè)量該電壓信號(hào)V0,經(jīng)過(guò)計(jì)算得到沉積在探測(cè)器上的能量E為

再利用示波器測(cè)量鍺摻鎵探測(cè)器得到的宏脈沖寬度τ,計(jì)算得到宏脈沖內(nèi)的平均功率Pavg為

其中0.49是功率計(jì)上的能量吸收效率,T是功率計(jì)窗口的THz傳輸效率,η是由THz光腔耦合孔到達(dá)功率計(jì)的傳輸效率.高真空輸出窗的材料為熔融石英,聚束系統(tǒng)輸出窗材料為邁拉膜.由于這兩種材料的透射率與THz波長(zhǎng)有關(guān),實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)特定波長(zhǎng)的兩種窗口材料的透射率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量:將石英窗口插入功率測(cè)量光路中,得到探測(cè)器上的電壓信號(hào)為V1,取出石英窗口,插入邁拉膜窗口,得到探測(cè)器上電壓信號(hào)為V2,則有η=V1V2/V20.

圖5 THz測(cè)量光路示意圖Fig.5.Layout of THz measurement.

3.2 測(cè)量結(jié)果

在f=2.0,2.5,3.0 THz三個(gè)頻率點(diǎn)附近選取三種輸出狀態(tài),測(cè)量得到的CTFEL受激飽和功率輸出如表2所列.測(cè)試過(guò)程中,由于裝置保護(hù)系統(tǒng)尚未完成安裝調(diào)試,因此選用脈沖寬度為1.0 ms或1.5 ms、重復(fù)頻率為1 Hz的宏脈沖模式.

圖6給出了CTFEL的功率和頻率測(cè)量結(jié)果,其中圖6(b)以1.99 THz為例給出了TK功率計(jì)上V0,V1和V2的結(jié)果,由此計(jì)算出到達(dá)單個(gè)宏脈沖的能量.圖6中縱坐標(biāo)S,U分別為相對(duì)強(qiáng)度、電壓,橫坐標(biāo)t為時(shí)間.

表2 CTFEL受激飽和功率輸出結(jié)果Table 2.Stimulated saturation power measurement of CTFEL.

通過(guò)鍺摻鎵探測(cè)器的宏脈沖信號(hào)可以測(cè)量宏脈沖長(zhǎng)度和CTFEL的平均單程凈增益.圖7(a)給出了2.92 THz下的宏脈沖平頂,其前沿如圖7(b)所示.由圖7(a)可以看出,THz宏脈沖的長(zhǎng)度略小于電子束的宏脈沖長(zhǎng)度,這是因?yàn)檠b置宏脈沖狀態(tài)下的低電平前饋系統(tǒng)尚未調(diào)試完成,宏脈沖前100μs的電子束無(wú)法受激飽和,飽和后在長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)微脈沖的功率一致性較差,1 ms以后信號(hào)趨于穩(wěn)定,微脈沖束團(tuán)間的功率一致性好于1%.這是因?yàn)榈碗娖皆谳^大束流負(fù)載時(shí)需要較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間,這些不利因素將在未來(lái)CW工作狀態(tài)下被消除.

圖7(b)中將橫坐標(biāo)時(shí)間換算成光在光腔中經(jīng)過(guò)的來(lái)回的次數(shù)(pass數(shù)),由此計(jì)算出在激光功率的指數(shù)上升區(qū),平均單程凈增益大于2.5%.

圖6 頻率與功率測(cè)量 (a)三個(gè)頻率點(diǎn)的頻譜;(b)1.99 THz下TK功率計(jì)波形Fig.6.Measurement of frequency spectrum and THz power:(a)Spectrum;(b)oscilloscope waveform of TK power meter at 1.99 THz.

圖7 2.92 THz宏脈沖受激飽和輸出波形 (a)THz宏脈沖信號(hào);(b)宏脈沖前沿Fig.7.Stimulated saturation signal at 2.92 THz:(a)Macro-pulse signal;(b)the signal front of the macro-pulse.

微脈沖功率方面,由于缺乏THz自相關(guān)儀,因此不能準(zhǔn)確測(cè)量縱向長(zhǎng)度,采取下述方法進(jìn)行估計(jì):讀取傅里葉變換光譜儀的時(shí)域信號(hào),其時(shí)域干涉圖類似于自相關(guān)曲線,做出其包絡(luò),包絡(luò)半高全寬的倍近似為光的微脈沖半高全寬[37].圖8所示為中心頻率2.92 THz時(shí)取包絡(luò)半高全寬的結(jié)果,橫坐標(biāo)z為光譜儀動(dòng)鏡造成的光程差,縱坐標(biāo)為探測(cè)器相對(duì)信號(hào),圖中用三根橫線分別表示干涉圖的0點(diǎn)、最高位置和半高全寬位置,用兩根豎線來(lái)表示半高全寬,測(cè)量得到光束的縱向半高全寬約為930 fs,此處的微脈沖能量約為331 nJ,微脈沖功率為0.36 MW.圖中的時(shí)域干涉圖誤差較大,因此這一結(jié)果僅能作為估測(cè)結(jié)果.這一方法得到的縱向半高全寬與傅里葉變換光譜儀的頻域結(jié)果看似存在矛盾,因?yàn)槿鐖D6(a)中的頻譜,每一個(gè)峰的譜寬度都相對(duì)較窄,按照傅里葉變換的性質(zhì),時(shí)域上的光束長(zhǎng)度就不可能這么短.實(shí)際上,由于采用的占空比過(guò)低,因此光譜儀的頻譜信號(hào)是采用30 min多次測(cè)頻譜平均得來(lái),時(shí)域上由于宏脈沖之間存在時(shí)間抖動(dòng),長(zhǎng)期的結(jié)果將使頻譜收窄.在實(shí)驗(yàn)中,這一判斷通過(guò)取不同時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量得到了驗(yàn)證.

圖8 2.92 THz微脈沖時(shí)域干涉圖Fig.8.Time-domain interferogram of the micro-pulse at 2.92 THz.

4 結(jié) 論

中國(guó)工程物理研究院高平均功率THz自由電子激光裝置采用諧振腔型技術(shù)路線,達(dá)到了自由電子激光受激飽和,并實(shí)現(xiàn)了THz輸出頻率可調(diào).在1.99,2.41和2.92 THz三個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,THz宏脈沖內(nèi)平均功率大于10 W,最高17.9 W.下一步,CTFEL將升級(jí)保護(hù)控制系統(tǒng),爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)CW運(yùn)行,同時(shí)將開(kāi)展裝置用戶實(shí)驗(yàn),多渠道發(fā)掘該裝置的應(yīng)用潛力與推廣前景,為各相關(guān)學(xué)科研究和THz輻射在其他高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供支撐.同時(shí),在現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展FEL波長(zhǎng)范圍,使其成為我國(guó)光源體系中的重要組成部分,推動(dòng)我國(guó)THz技術(shù)的發(fā)展.

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