一种保持超快脉冲同步的切换装置的制作方法

本发明涉及超快激光光学领域，特别是指一种可以保持超快脉冲同步的切换装置。

背景技术：

光路延时线是光学领域中实现脉冲同步常用的一种技术手段，当光脉冲分成两个或者多个子脉冲并经过不同的光学路径时，通过调节子脉冲光路里的延时线，使各个子脉冲到达合束点时的光程相等，产生时间同步的相干增强脉冲，从而应用在不同的领域。

基于逆康普顿散射的紧凑型高亮度X射线源作为下一代先进光源，可以获得从ps到fs量级的准单能的X射线。通过X射线的散射和衍射对物质中原子和分子组成结构的信息进行探测，同时材料的相变过程和化学反应中化学键断裂和组合等超快物理过程也可借由此光源进行观察。为了获得的可调时间长度的X射线，则需要对超快飞秒激光与高能电子束团的碰撞时间与角度进行严格的控制。这对激光器输出的光路延时系统提出了非常高的要求，超快激光需要能以不同的角度与电子束团碰撞(垂直或者近似于迎面相撞)，在这两种情况下，激光还应该保持从激光器出射到碰撞点之间的光程相等。这就需要延时光路来满足以上条件。按照飞秒激光的脉冲宽度在飞秒量级来计算，则光程的调整精度需要达到10μm量级；而按照电子束团和激光光束对撞截面在20μm范围，则两者的对准误差也需控制在μm量级。

目前，在超快激光光学领域常规的延时装置是将经准直器后输出的光经过不同的固定直角反射镜阵列进行反射传输，通过调节增加额外的光程来获得到达靶标处的延时，这种方案只能对固定角度下入射到靶标处的情况适用，不适合在不同的入射角度下获得与高能电子束团的同步碰撞。且只能用于对单一光束进行延时控制，即只能控制单一光束到达靶标的光程，无法控制切换光束到达靶标的角度并且精密控制切换光束与高能电子束流的同步时间。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种能够对切换光束进行控制，且可以控制切换光束到达靶标的角度以及与高能电子束团的同步时间的超快脉冲同步切换装置。

基于上述目的本发明提供的一种保持超快脉冲同步切换的装置，包括：激光发射器、延时器、激光反射镜、电子加速器、碰撞腔、电子偏转器和电子束流回收装置；

所述碰撞腔包括腔体，在所述腔体上方设置有第一激光入射孔和第二激光入射孔，在所述腔体内部对应所述第一激光入射孔的位置处设置有会聚透镜，在所述腔体内部对应所述第二激光入射孔的位置处设置有反射组件，在所述腔体内部的两侧分别设置有第一聚焦组件和第二聚焦组件，所述第一聚焦组件和第二聚焦组件同轴设置，在所述第一聚焦组件和第二聚焦组件上的轴线位置处设置有电子束流孔，所述腔体内部设置有第一激光收集器和第二激光收集器；

所述激光发射器产生的激光束经所述延时器后，由所述第一激光入射孔进入所述碰撞腔，在所述碰撞腔内经所述会聚透镜聚焦后，与所述电子加速器产生的电子束流在所述碰撞腔内发生碰撞，之后进入所述第一激光收集器；

所述激光发射器产生的激光束经所述激光反射镜后，由所述第二激光入射孔进入所述碰撞腔，之后依次经所述反射组件和所述第二聚焦组件反射与电子束流碰撞后，经所述第一聚焦组件反射进入所述第二激光收集器。

进一步的，所述会聚透镜下设置有一维平移台，通过所述一维平移台调节激光焦点位置。

进一步的，所述第一聚焦组件和第二聚焦组件结构相同且在碰撞点两侧对称设置，所述第一聚焦组件和第二聚焦组件上设置有螺旋测微器，通过所述螺旋测微器调整所述弧面反射镜角度。。

进一步的，所述反射组件上设置有螺旋测微器，通过所述螺旋测微器调整所述反射组件角度。

进一步的，所述碰撞腔的腔体的左右两侧分别设置有电子束流入射孔和电子束流出射孔。

进一步的，所述碰撞腔的腔体上设置有真空泵接口。

进一步的，所述碰撞腔的腔体上设置有电控接口，所述电控接口内有电控线，用于控制所述会聚透镜的一维平移台、所述反射组件、所述第一聚焦组件和所述第二聚焦组件上的螺旋测微器。

从上面所述可以看出，本发明提供的超快脉冲同步切换装置，包括激光发射器、延时器、激光反射镜、电子加速器、碰撞腔、电子偏转器和电子束流回收装置；通过将延时器切换进入激光发射器产生的激光束的传播路径，使激光束能有与电子加速器产生的电子束流垂直碰撞。在延时器切换移出激光器传播路径后，通过激光反射镜、反射组件和聚焦组件的初期安装和调整，使激光束能与电子加速器产生的电子束流以近似180^o的迎头碰撞，且保证激光束的与电子束流的同步时间。

附图说明

图1为本发明实施例的保持超快脉冲同步的切换装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的保持超快脉冲同步的切换装置的碰撞腔的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的

一种保持超快脉冲同步切换的装置，包括：激光发射器、延时器、激光反射镜、电子加速器、碰撞腔、电子偏转器和电子束流回收装置；

所述碰撞腔包括腔体，在所述腔体上方设置有第一激光入射孔和第二激光入射孔，在所述腔体内部对应所述第一激光入射孔的位置处设置有会聚透镜，在所述腔体内部对应所述第二激光入射孔的位置处设置有反射组件，在所述腔体内部的两侧分别设置有第一聚焦组件和第二聚焦组件，所述第一聚焦组件和第二聚焦组件同轴设置，在所述第一聚焦组件和第二聚焦组件上的轴线位置处设置有电子束流孔，所述腔体内部设置有第一激光收集器和第二激光收集器；

所述激光发射器产生的激光束经所述延时器后，由所述第一激光入射孔进入所述碰撞腔，在所述碰撞腔内经所述会聚透镜聚焦后，与所述电子加速器产生的电子束流在所述碰撞腔内发生碰撞，之后进入所述第一激光收集器；

所述激光发射器产生的激光束经所述激光反射镜后，由所述第二激光入射孔进入所述碰撞腔，之后依次经所述反射组件和所述第二聚焦组件反射与电子束流碰撞后，经所述第一聚焦组件反射进入所述第二激光收集器。

所述激光器产生的激光经所述延时器切换延时，选择不同光路进入到所述碰撞腔中，与所述电子加速器产生的电子束流在所述碰撞腔内碰撞，产生X射线，碰撞后剩余的激光束被所述碰撞腔内的激光收集装置收集，电子束流经电子偏转器偏转后被所述电子束流回收装置收集。

本发明提供的保持超快脉冲同步切换的装置，通过延时器的切入来改变激光发射器产生的激光束的传播方向并保持切换前后的光程相同，使激光束能与电子加速器产生的电子束流发生时间同步的垂直碰撞；当延时器切换移出激光光路的初始状态中，通过激光反射镜、反射组件和聚焦组件的初期安装和调整，使激光束能与电子加速器产生的电子束流发生时间同步的近似180^o的迎头碰撞。

如图1所示，为本发明实施例的保持超快脉冲同步切换装置的整体结构示意图。从图中可以看出，本实施例的超快脉冲同步切换装置包括激光发射器1、延时器2、激光反射镜3、电子加速器4、碰撞腔5、电子偏转器6和电子束流回收装置7；其中，所述激光发射器1用于产生激光束，具体为单脉冲能量1焦耳、重频100Hz、脉冲宽度小于100fs的超快激光束，所述延时器2用于切换激光束的光路，所述激光反射镜3用于垂直反射激光束进入碰撞腔，所述电子加速器4用于产生电子束流，具体为2ps长度、60MeV能量的电子束流，激光束和电子束流在所述碰撞腔5内碰撞，产生X射线，完成碰撞后的电子束流在所述电子偏转器6的偏转作用下进入到所述电子束流回收装置7中。

如图2所示，为本发明实施例的保持超快脉冲的同步切换装置的碰撞腔的结构示意图。所述碰撞腔5包括腔体，在所述腔体上方设置有第一激光入射孔501和第二激光入射孔502，在所述腔体内部对应所述第二激光入射孔502的位置处设置有反射组件503，在所述腔体内部的两侧分别设置有第一聚焦组件504和第二聚焦组件505，所述第一聚焦组件504和第二聚焦组件505同轴设置，在所述第一聚焦组件504和第二聚焦组件505上的轴线位置处设置有电子束流孔，所述腔体内部还设置有第一激光收集器506和第二激光收集器507。在所述腔体内部对应所述第一激光入射孔501的位置处设置有会聚透镜510，经所述第一激光入501射孔入射的激光束经会聚透镜510聚焦后垂直与电子束流碰撞后进入所述第一激506光收集器。经所述第二激光入射孔502入射的激光束依次经所述反射组件503和所述第一聚焦组件504反射后与电子束流碰撞，并经所述第二聚焦组件505反射进入所述第二激光收集器507中；

所述会聚透镜510下设置有一维平移台，通过调节所述一维平移台，调整所述激光聚焦焦点位置。

所述第一聚焦组件504和第二聚焦组件505结构相同且在竖直平面内在碰撞点两侧对称设置，其中所述第一聚焦组件504和第二聚焦组件505上设置有螺旋测微器，通过所述螺旋测微器调整所述弧面反射镜角度。

所述反射组件503上设置有螺旋测微器，通过所述螺旋测微器调整所述反射组件角度。

所述碰撞腔的腔体的左右两侧分别设置有电子束流入射孔和电子束流出射孔。

为了将所述碰撞腔内抽成真空状态，所述碰撞腔的腔体上设置有真空泵接口509。

此外，所述碰撞腔的腔体上设置有电控接口508，所述电控接口内有电控线，用于控制所述反射组件、所述第一聚焦组件和所述第二聚焦组件上的螺旋测微器。

当所述超快脉冲同步切换装置工作时，激光发射器产生的单脉冲能量1焦耳、重频100Hz、脉冲宽度小于100fs的超快激光束经过准直后进入延时器，所述延时器内设置有三面反射镜，当延时器切换进入激光传播路径时，激光束经延时器内的三面镜片反射后经第一激光入射孔进入碰撞腔。其中，经第一激光入射孔进入碰撞腔的激光束经会聚透镜聚焦并与电子束流垂直碰撞，实现飞秒脉冲的X射线输出，之后进入第一激光收集器。当延时器切换移出激光传播路径时，激光束经激光反射镜反射后经第二激光入射孔进入碰撞腔，先后经过反射组件和第一聚焦组件的反射后，与电子束流发生近似于迎面相向碰撞，实现高平均束流皮秒脉冲X射线输出，之后经第二聚焦组件反射后进入第二激光收集器。在延时器切换进入第一激光入射孔的传播路径，使激光束与电子束发生垂直碰撞时，可以通过调整延时器内的所述三面镜片中上方两面反射镜的上下位置，控制经第一激光入射孔入射到碰撞腔内的激光束到达与电子束流碰撞点的光程，保证与经第二激光入射孔入射到碰撞腔内的激光束到达与电子束流碰撞点的光程相等。由于电子束团的长度最大只有2ps，超快飞秒激光脉冲宽度小于100fs，为控制激光-电子束团碰撞的误差精度在1fs量级，反映在长度尺度上也就是10～15s×3*10⁸m/s≈1μm，则要求对延时器内上方两片反射镜位移大小控制在1μm水平。因此，利用螺旋测微器精密调整延时器内两片反射镜的位置，使上述两光程精确相等，确保与电子束流的时序同步，保证激光束与高能电子束流的同步碰撞，大大降低光路调节的复杂度。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。