一种振荡器型自由电子激光三孔耦合输出方法及装置与流程

[0001]
本发明涉及一种振荡器型自由电子激光三孔耦合输出方法及装置，属于自由电子激光领域，其可应用于红外和太赫兹波段的振荡器自由电子激光中。


背景技术：

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振荡器型自由电子激光作为科学研究光源已经在全世界广泛运用多年，主要用于产生红外和太赫兹波段的激光，当前国际上运行的红外和太赫兹波段自由电子激光装置绝大部分也都采用振荡器模式。振荡器型自由电子激光光源可提供波长连续可调、准单色、高峰值功率的激光脉冲，应用于凝聚态物理、物理化学和生物物理等科学研究(b.n.murdin,contemporary physics,50,2(2009),o'shea,p g,and h p freund,science 292,5523(2001))。为得到更适合科学研究的激光，对振荡器型自由电子激光耦合输出的要求是宽调谐且高效高功率。
[0003]
振荡器型自由电子激光的耦合输出通过光学谐振腔实现。原理上，如图1所示，光学谐振腔主要由高真空内两块相互对心的高反射率的反射镜构成。它将电子束经过波荡器时产生的自发辐射光场储存起来，并使光场在其内来回反射，不断与后续电子束相互作用，使光场不断累积放大直至饱和。
[0004]
振荡器型自由电子激光常见的耦合输出的方式有：中心孔耦合输出、部分透射镜耦合输出、近布儒斯特角平板耦合输出和边耦合输出。部分透射镜耦合输出，几乎不破坏光学谐振腔腔内光场分布但调谐范围不够宽，例如复合型金属网栅耦合输出镜(kong wei-peng,et al.,j.infrared millim.waves 34,5(2015))。近布儒斯特角平板耦合输出，全反射腔镜，镜面破坏阈值高，宽调谐，耦合效率可调，但缺点是多束输出(d.paboeuf,et al.,appl phys b 108,289
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293(2012))。边耦合输出灵活，可调节光学谐振腔q值，宽调谐，衍射损失较小(dou yu-huan,et al.,high power laser and particle beams 15,12(2003))。现振荡器型自由电子激光多采用中心单孔耦合输出，优点是耦合效率高，宽调谐，输出光质量较好，光学谐振腔的反射镜可用金属基底进而能提高镜面的破坏阈值，小孔还可作电子束的通道，缺点是孔不能太大，易产生高次模，并且耦合输出率与波长有关，对长波长，衍射损失较大(b.faatz,et al.,ieee journal of quantum electronics 29,7(1993),jiang yun-qing,wang yuan-zhang，high power laser and particle beams 8,3(1996))。
[0005]
在红外和太赫兹波段振荡器型自由电子激光中，多采用矩形光波导来克服衍射损失。然而由于矩形光波导的加入在使用中会出现光谱间隙的现象(r.prazeres,et al.,physical review special topics-accelerators and beams 12,010701(2009))。如图5所示，光谱间隙现象是在部分共振波长附近，光波导引起光学谐振腔内光场模式改变，导致耦合输出反射镜上中心孔附近光场强度很弱，进而导致中心孔耦合输出功率出现急速减小甚至为零，影响输出激光的波长调谐范围。
[0006]
该光谱间隙的存在，对一个自由电子激光装置有着极为不利的影响，因为光谱扫描是用户常用的一种科学研究方法。特别是当光谱间隙处在某些关键波长上时，影响更为
严重，可能导致很多科学实验不能开展。因此，发展能够提高光谱间隙处输出功率的耦合输出方式对红外振荡器自由电子激光光源具有重要意义。


技术实现要素：

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本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种振荡器型自由电子激光三孔耦合输出方法及装置，具有易实现，耦合效率高，宽调谐的红外自由电子激光耦合输出的优点，通过在光学谐振腔下游反射镜上采用三孔耦合输出，显著提升光谱间隙附近波长上的自由电子激光输出功率，改善光谱间隙现象对红外振荡器自由电子激光装置的不利影响。
[0008]
本发明的技术解决方案：一种振荡器型自由电子激光三孔耦合输出方法，其特点在于：在振荡器光学谐振腔的下游反射镜上开设三个孔。
[0009]
所述三个孔为圆孔，沿竖直方向排列，三个孔中的中间孔位于反射镜中心，直径根据振荡器型自由电子激光设计，需要考虑所述自由电子激光在全工作波段内的总损耗；三个孔中的两侧孔的位置沿竖直方向关于中心孔对称，两侧孔的中心对应于波导模式引起的光谱间隙波长上的反射镜上光场分布的与中心相邻的两个光场功率峰值的位置，两侧孔的直径根据光谱间隙处的反射镜上光场分布情况决定，小于中心孔的直径。
[0010]
本发明的一种振荡器型自由电子激光三孔耦合输出装置，包括上游腔镜，波荡器、光波导、下游腔镜和三孔排列阵；所述上游反射镜和下游反射镜均放置于高真空室中，并通过真空管道与光波导连接，上游反射镜和下游反射镜二者中心的连线与焦点的连线重合，构成光学谐振腔；光波导对称放置于上游反射镜和下游反射镜中心连线的中间位置处；所述波荡器的上下磁阵列放置于光波导的上下两侧，在下游反射镜上开有三个用于耦合输出的圆孔，三个圆孔中的中心圆孔位于下游反射镜的中心，其余两孔在沿竖直方向位于中心孔两侧。
[0011]
本发明与现有技术相比具有以下优点和积极效果：
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(1)本发明可以有效提高光谱间隙附近波长上的自由电子激光输出功率，改善自由电子激光装置在全波段范围内的整体输出性能。现有技术采用单孔耦合输出，也可以通过扩大单孔直径实现提高光谱间隙附近波长上的自由电子激光输出功率，但通常需要较大的单孔直径，这对于光谱间隙以外波长上的激光耦合输出可能会带来非常严重的影响，尤其是当自由电子激光工作在相对较短的波长上时，光场在反射镜上的光斑会相对较小，过大的耦合输出孔会导致该波长上的耦合输出比例过高，使储存在光学谐振腔内的光场过小，从而导致自由电子激光饱和功率低甚至无法起振。与现有技术相比较，本发明的方案可将光谱间隙波长上的自由电子激光输出功率提高4倍左右，同时，对于光谱间隙以外的波长，不但不会影响其正常起振以及饱和功率水平，还同样可以有效提高其耦合输出的自由电子激光功率。
[0013]
(2)本发明易制作：在下游腔镜上开三个小孔在工程上较易实现，制作成本小。
附图说明
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图1为振荡器型自由电子激光三孔耦合输出的示意图，即本发明的方案示意图；
[0015]
图2为本发明中开有三个耦合小孔的下游反射镜的示意图；
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图3为模拟得到的共振波长25.8微米(光谱间隙以外)处，反射镜前的饱和光场分布图；
[0017]
图4为模拟得到的共振波长21.7微米(即光谱间隙)处，反射镜前的饱和光场分布图；
[0018]
图5模拟得到的三孔耦合输出方法与中心单孔耦合输出方法的自由电子激光输出功率比较图。
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其中：1为上游反射镜，2为波荡器，3为光波导，4为下游反射镜，5为三孔排列阵，6为电子束。
具体实施方式
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下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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如图1所示，本发明的一种振荡器型自由电子激光三孔耦合输出装置，包括上游反射镜1，波荡器2、光波导3、下游反射镜4，三孔排列阵5和电子束6；上游反射镜1和下游反射镜4均放置于高真空室中，并通过真空管道与光波导3连接，二者中心的连线与焦点的连线重合，构成光学谐振腔，光波导3对称放置于光学谐振腔的中心位置处。所述波荡器2的上下磁阵列放置于光波导3的上下两侧。电子束由光波导上游侧真空室偏转进入光波导3，在波荡器磁场环境中与光学谐振腔内的储存光场相互作用使光场放大，并在光波导下游侧真空室偏转出光学谐振腔。在下游反射镜上开有三个用于耦合输出的圆孔，中心圆孔位于下游反射镜的中心，其余两孔在沿竖直方向位于中心孔两侧。
[0022]
本发明的一种振荡器型自由电子激光三孔耦合输出方法，在光学谐振腔的下游反射镜上开设三个圆孔，其位置分布及大小可根据谐振腔内的横向光场分布来定。振荡器型自由电子激光中，波长较短时，储存在光学谐振腔内的光场在腔内各处的横向尺寸均不大，反射镜上的饱和光场分布呈高斯分布。但当波长较长时，腔内各处光斑尺寸均将相应变大，而真空管道特别是波荡器内的扁平真空室尺寸相对较小，衍射损耗增大，因此需要将波荡器内的扁平真空室替换为内壁光滑且电导率极高的光波导。光波导将对腔内光场产生影响，在某些特定波长上产生光谱间隙的现象。当自由电子激光工作在光谱间隙波长上时，谐振腔内的饱和光场将在y轴(竖直)方向分成三个甚至更多个光场功率峰值，如图4所示。在这种光场分布下，在光学谐振腔下游腔镜上开设三个孔，均为圆孔，沿竖直方向排列，中间孔位于反射镜中心，其直径按照一般振荡器型自由电子激光设计，即需要考虑该自由电子激光在全工作波段内的总损耗合理。两侧孔的位置沿竖直方向关于中心小孔对称，其中心对应于光谱间隙处的反射镜上光场分布的与中心相邻的两个光场功率峰值的位置。两侧孔的直径需根据光谱间隙处的反射镜上光场分布情况决定，一般不大于中心孔的直径。在不影响光谱间隙以外的共振波长范围内耦合输出功率的情况下，光学谐振腔的三孔耦合输出方法可以改善光谱间隙处耦合输出功率低的问题，从而提升耦合输出的调谐范围。
[0023]
本发明可以提高振荡器型自由电子激光耦合输出率，特别是对于光波导引起的光场在反射镜上呈现y(竖直)方向波导模式分布。波导模式会导致在有些自由电子激光波长上，光学谐振腔内储存光场到达反射镜上时，中心孔位置光场分布很小，而绝大部分光场能量分布在中心孔沿y方向的两侧。因此，若采用中心单孔耦合输出，则耦合输出的自由电子
激光功率极低，则该波长将是光谱间隙。
[0024]
本发明的方案通过在中心孔沿y方向的两侧加开两孔，将可以有效地提高光谱间隙波长上的自由电子激光输出功率。中心孔的直径按照一般振荡器型自由电子激光设计而定，即需要考虑该自由电子激光在全工作波段内的总损耗合理。两侧孔的位置沿竖直方向关于中心小孔对称，其中心对应于光谱间隙处的反射镜上光场分布的与中心相邻的两个光场功率峰值的位置。两侧孔的直径需根据光谱间隙处的反射镜上光场分布情况决定，一般不大于中心小孔的直径。一是保证合适的耦合输出率，使得振荡器单程总损耗不至于过大，二是使两侧小孔尽量与中心孔之间保持适当距离，使光谱间隙以外波长上自由电子激光的运行不至于受到较大影响。
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实施列
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本示例中，采用了如图1所示的结构，以共振波长范围为15～50微米的红外振荡器型自由电子激光为例，波荡器内真空室采用光波导结构，在下游腔镜上使用三孔耦合输出方法。模拟的主要参数分别为：电子束电子能量为25mev，均方根能量分散为200kev；波荡器的周期长度为46毫米，周期数为50；光学谐振腔的腔长(上、下游反射镜镜面中心的距离)为5.04米，腔镜反射率为98.5％，腔镜曲率半径为2.756米；光波导的横截面内径长和宽分别为30毫米和10毫米，长度与波荡器的长度一致。
[0027]
此示例中，如图2所示，采取沿y轴方向开设三个圆孔的耦合输出方式。中心孔位于下游反射镜的中心，即其圆心位于光学谐振腔的中心光轴上。中心孔的直径大小按照一般振荡器型自由电子激光设计而定，需要根据自由电子激光工作全波段内的增益和总损耗决定，中心孔的耦合输出率是总损耗的主要构成部分。根据一般振荡器型自由电子激光设计，中心小孔的直径为1.5毫米。
[0028]
两侧小孔中心位置和直径的选择根据如图3和图4所示的光谱间隙以外波长和光谱间隙波长处的饱和光场在下游反射镜上的分布情况而定。由图4，光谱间隙处的反射镜上光场分布的与中心相邻的两个光场功率峰值分别位于反射镜中心沿y轴的两侧3.8毫米处，因此，两侧小孔的中心位置分别定为中心孔的y轴正方向3.8毫米处和y轴-3.8毫米处。由图4，还可以发现，与反射镜中心相邻的两个光场功率峰值对应的子光斑均为长轴16毫米、短轴4毫米的椭圆形。经过优化，我们选取两侧小孔的直径与中心小孔一致，为1.5毫米。
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图5给出了模拟得到的上述三孔耦合输出的自由电子激光功率随波长变化的关系图，并与中心单孔耦合输出方式的情况进行了比较。模拟中的中心单孔耦合输出方式与三孔耦合输出方式的中心小孔直径相同，差别仅在于上下两个孔的有无，以此可比较出三孔耦合输出方式提高了光谱间隙的波长范围的自由电子激光输出功率，在光谱间隙中心波长22.5微米上，自由电子激光的输出功率由0.1兆瓦提高到了0.4兆瓦。在光谱间隙以外的波长上，自由电子激光的输出功率也都有可观幅度的提升。
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因此，可以看出，本发明的三孔耦合输出方法能改善带波导的红外振荡器自由电子激光的光谱间隙的影响，在兼具中心孔耦合输出方法的优势基础上，提高耦合输出的调谐能力，是一种宽调谐、高效高功率的光学谐振腔的耦合输出方法。
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提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。