专利名称：全光驱动的全相干台式x射线自由电子激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及X射线自由电子激光器，特别是一种全光驱动的全相干台式X射线自由电子激光器。基于激光尾波场加速机制获得的高性能高能电子束，利用强激光场原子高次谐波获得10 nm波段高度相干性种子脉冲，注入到自由电子XUV激光器中，研究如何获得稳定的完全相干的X射线自由电子激光输出。高亮度水窗波段甚至keV量级的超快X射线相干辐射则对物理学、化学、生命科学、材料科学等均有极其重要的意义。
背景技术：
超强飞秒激光与原子相互作用，可以产生飞秒乃至阿秒级极紫外(简称为XUV)波段的相干光源，使人类可以前所未有的极端超快时间尺度探测和操控微观世界的新现象与新规律。阿秒量级的超高时间分辨率与A (IO-8Cm)量级的超高空间分辨率相结合将可能使人类理解和把握原子-亚原子尺度微观世界中极端超快现象的梦想得以实现。作为实现高亮度飞秒级XUV波段相干光源的主要技术路线-X射线自由电子激光器(以下简称为X-FEL)是世界各国科学家一直关注和研究的热点。2009年，2011年美国和日本分别研制成功了基于传统射频电子加速器的波长达到埃量级的高亮度X-FEL装
置-LCLS和 SACLA装置(Fuchs, M. , et al. , Nature Physics 5，826，2009; Tadashi
Togashi et al. ,，Opt. Express 19，317，2011)，欧盟多个国家正在联合研制波长更短的欧洲自由电子激光装置。X-FEL —般是采用自放大的自发辐射机制(SASE)，输出激光信号空间上是完全相干的，但输出脉冲的时间结构不稳定，时间相干性差。为了解决这个问题，2008年，G. Lambert等将波长为800nm的超强飞秒激光的5次谐波(160nm)作为种子脉冲注入到SPring-8 Compact SASE Source试验加速器中，获得了超过三个数量级的放大和完全相干的输出，并且消除了输出脉冲的时间抖动(G. Lambert et al. , Nature Physics 4 , 296, 2008)。最近，Ε. Takahashi 等进一步将 13 次谐波(61. 2nm)作为种子脉冲注入到FEL中，获得了 650倍的放大效果，SASE过程产生的随机尖峰也被大大抑制。但是，仍存在难以解决的注入信号与电子束时间同步的问题。高次谐波(简称为HH)注入到传统加速器的FEL，激光与加速器的rf信号的时间抖动ps，难以支持亚ps的稳定输出。所以，T. Togashi等人的实验中仅获得1%的有效注入。如何解决基于射频加速度器的X-FEL 的时间抖动，提高高次谐波注入源的有效注入，成为阻碍XFEL技术发展和应用的最为迫切的技术难题。另外一个发展方向是实现更短波长(水窗乃至keV波段)的高次谐波注入，迫切需要产生高强度的短波长高次谐波注入源。由于高次谐波波长对驱动激光波长的依赖关系，需要发展高性能的中红外驱动激光系统。如果种子脉冲的相干性在FEL的放大过程中可以保持，尤其是注入种子脉冲的宽度可以远小于电子束团的长度，最终输出激光脉冲的宽度不再由电子束团的长度决定，而是由种子脉冲决定。我们近年来在可调谐中红外新波段强场相互作用新物理新效应的前沿探索中已取得系列原创的研究成果，最近利用1. 5 1.8μπι激光驱动获得了波长短至水窗波段的完全相干的软χ射线光源(Zhinan Zeng etal. , Phys. Rev. Lett. 98，203901，2007; Hui Xiong et al. , Opt. Lett. 34，1747， 2009; Yinghui Zheng et al. , Phys. Rev. Lett. 103，043904，2009)。然而，由于前述的HH与射频加速器提供的电子束的同步问题，无法发挥短脉冲HH带来的优点。在产生X-FEL所需的高性能高能电子束方面，激光尾波场加速电子是一种全新的电子加速方案，在许多方面具有传统射频加速器无可比拟的优越性。由于激光尾波场加速梯度相对于传统的电子加速器提高了 3个量级以上，利用激光尾波场加速电子可以在小得多的规模上获得1 GeV甚至500 GeV的高能电子束(C. E. Clayton et al.，Phys. Rev. Lett. 105，105003, 2010)，从而极大地降低加速器的规模和成本，对同步辐射装置、自由电子激光及高能粒子物理等领域的发展和应用具有重大科学意义。因而被认为在将来可以代替传统的电子直线加速器，实现台式化的XUV波段和X射线自由电子激光(Nalkajima， K., Nature Physics 4，92，2008)。我们首次利用电离注入的全光驱动双尾波场级联电子加速器方案，通过在一个气体池中分两级分别注入氦氧混合气和纯氦气，第一段采用激光作用于氦氧混合气的方法来产生电子注入，第二段采用激光在纯氦气产生等离子体尾波场来加速电子，成功实现了电子注入与电子加速的两个基本物理过程的分离与控制，实验获得了能量近GeV的准单能电子束和187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果。级联电子加速新机制被认为可能是未来产生IOGeV甚至IOOGeV级单能电子束的有效方案(J. S. Liu et al. , Physical Review Letters 107，035001，2011)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全光驱动的全相干的台式X射线自由电子激光器，用于产生时间和空间上完全相干的X射线辐射光源。本发明的技术构思是高能电子和高次谐波的注入源采用同一台激光系统作为驱动源。使用由钛宝石激光系统经过光学参量放大系统得到的中红外超强飞秒激光作为驱动源来获得水窗乃至keV波段的高次谐波相干辐射的注入源，注入到由百太瓦级高重复频率钛宝石激光系统采用级联加速方案产生的高能电子束组成的全光自由电子激光器中，实现完全相干的、稳定的阿秒脉冲输出，构成一种全光驱动的全相干台式X射线自由电子激光
ο本发明的具体技术解决方案如下
一种全光驱动的全相干台式X射线自由电子激光器，其特点在于其构成包括一台百太瓦级高重复频率的钛宝石激光系统，该钛宝石激光系统输出的激光经分束片分成反射光束和透射光束，该透射光束进入光学参量放大系统产生中红外激光，该中红外激光经第一抛物面镜聚焦后经第一窗片进入第一气体池产生高次谐波相干辐射光，该高次谐波相干辐射光经第二抛物面镜聚焦、反射镜反射，穿过第一磁透镜注入到波荡器中，所述的第一气体池的气体经第一进气口注入；所述的反射光束依次经第二窗片、第三抛物面镜聚焦反射后进入基于两段气体级联加速的第二气体池产生高能电子束(J. S. Liu et al., Physical Review Letters 107, 035001, 2011)，该高能电子束经第一磁透镜偏转后也进入所述的波荡器中，所述的第二气体池的气体经第二进气口和第三进气口注入；所述的波荡器对高次谐波相干辐射信号进行增益后，由所述的波荡器输出的高能电子束和相干辐射光进入第二磁透镜，经第二磁透镜对所述的高能电子束偏转而进入电子测量系统，所述的相干辐射光即X射线自由电子激光经第三窗片输出，除所述的钛宝石激光系统、分束片、光学参量放大系统和第一抛物面镜外，所述的第一窗片、第二窗片和第三窗片分别位于真空腔的前腔壁和后腔壁上，其他元部件都位于一个真空腔中。所述的光学参量放大系统，将SOOnm波长的钛宝石激光系统输出的激光波长变为 1300 5000nm中红外波段。所述的高次谐波相干辐射光为高次谐波XUV波段，光子能量30eV 2keV、脉冲宽度为IOOas Ifs的相干辐射，标称单脉冲能量为100 nj/lfs。所述的钛宝石激光系统输出的最高峰值功率200 TW，脉冲宽度30 40fs，中心波长800 nm，重复频率10 Hz0所述的输入第一气体池的气体为氩气或氖气，输入第二气体池的气体为氦氧混合气(由进气口 111进入)和纯氦气(由进气口 112进入)。本发明的技术效果如下 本发明具备如下优点
1、全光驱动，可以稳定有效的注入种子脉冲，实现X-FEL的全相干输出。采用激光加速器的全光学自由电子激光器，电子束的长度只有IOfs量级，因为该机制下电子束的长度必然小于尾波场的波长，为了获得单能电子，尾波场的波长又必须与激光脉宽相匹配，由于驱动激光脉冲宽度一般为数10fs，所以能获得同钛宝石激光系统输出激光一样时间尺度的超短电子束。而高次谐波注入源同样是采用了由钛宝石激光系统经过光学参量放大系统得到的中红外超强飞秒激光作为驱动。由于产生自同一台激光器，高次谐波种子源注入的时间同高能电子束注入的时间一致，避免了它们注入时间不同步的问题。全光驱动的设计，使得我们仅仅需要保证激光光束的同步性(甚至可以精确到飞秒量级)，就可以实现有效注入， 从而可以保证时间上完全相干。2、采用激光尾波场加速器代替传统加速器，可以实现X射线自由电子激光器的台式化。激光尾波场加速方案，其加速梯度优越性，无疑进一步降低了提供高能电子束的成本，减少了建立自由电子激光器所需的空间，从而缩短了 X射线自由电子激光器的台式化进程，可以推广到更多的用户群，为基础研究取得原创性突破提供新机遇。3、可以更容易获得XUV波段乃至X射线波段的相干辐射光源。采用中红外超强飞秒激光作为驱动源，可以更加有效的获得水窗乃至keV波段的高次谐波相干辐射注入，从而可以有利于种子脉冲的相干性在FEL的放大过程中的保持，尤其是注入种子脉冲的宽度可以远小于电子束团的长度，因此最终输出激光脉冲的宽度不再由电子束团的长度决定， 而是由种子脉冲决定，而强场高次谐波的脉冲宽度可以达到飞秒和亚飞秒，可实现脉冲宽度达到飞秒甚至亚飞秒级、XUV乃至X射线波段相干辐射光源。4、可以实现更高的能量增益。因为电子束峰值电流大，激光尾波场加速有望得到 nC (纳库)量级电量的单能电子束，而电子束长度只有IOfs量级，所以可望得到100千安培量级的电流强度，这是传统加速器难以企及的，使得产生的X射线辐射具有更高的亮度。5、用于产生高能电子的第二气体池采用级联加速方案(J. S. Liu et al., Physical Review Letters 107，035001, 2011)，该气体池中第一段采用激光作用于氦氧混合气的方法来产生电子注入，第二段采用激光在纯氦气产生等离子体尾波场来加速电子，优点在于可以通过对电子注入与电子加速的两个基本物理过程的分离、控制和优化，可以获得稳定的l_5GeV级高能电子束。
图1是本发明全光驱动的全相干台式X射线自由电子激光器结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1为本发明全光驱动的全相干台式X射线自由电子激光器的结构示意图。由图可见，本发明全光驱动的全相干台式化X射线自由电子激光器，包括百太瓦级高重复频率钛宝石激光系统1、分束片2、光学参量放大系统3、第一窗片5、第二窗片9、第三窗片16、第一气体池6、第二气体池11、第一进气口 61、第二进气口 111、第三进气口 112、 第一抛物面镜4、第二抛物面镜7、第三抛物面镜10、反射镜8、第一磁透镜12、第二磁透镜 14、波荡器13、电子测量系统15和真空腔17。上述元部件的位置关系如下包括一台百太瓦级高重复频率的钛宝石激光系统1，该钛宝石激光系统1输出的激光经分束片2分成反射光束和透射光束，该透射光束进入光学参量放大系统3产生中红外激光，该中红外激光经第一抛物面镜4聚焦后经第一窗片5进入第一气体池6产生高次谐波相干辐射光，该高次谐波相干辐射光经第二抛物面镜7聚焦、反射镜8反射，穿过第一磁透镜12注入到波荡器 13中，所述的第一气体池6的气体经第一进气口 61注入；所述的反射光束依次经第二窗片 9、第三抛物面镜10聚焦反射后进入基于两段气体级联加速的第二气体池11产生高能电子束，该高能电子束经第一磁透镜12偏转后也进入所述的波荡器13中，所述的第二气体池11 的气体经第二进气口 111和第三进气口 112注入；所述的波荡器13对高次谐波相干辐射信号进行增益后，由所述的波荡器13输出的高能电子束和相干辐射光进入第二磁透镜14，经第二磁透镜14对所述的高能电子束偏转而进入电子测量系统15，所述的相干辐射光即X射线自由电子激光经第三窗片16输出，除所述的钛宝石激光系统1、分束片2、光学参量放大系统3和第一抛物面镜4外，所述的第一窗片5、第二窗片9和第三窗片16分别位于真空腔 17的前腔壁和后腔壁上，其他元部件都位于一个真空腔17中。在本实施例中
所述的百太瓦级高重复频率钛宝石激光系统1，可购买，最高峰值功率200 TW，脉冲宽度30 40fs，中心波长800 nm，重复频率IOHz。所述的光学参量放大系统3 (参见 Yinghui Zheng et al.，Phys. Rev. Lett. 103，043904, 2009 ；Hui Xiong et al. , Opt. Lett. 34，1747，2009)，可将 800nm 波长的钛宝石激光系统输出的激光波长变为中红外波段(1300 5000nm)，可实现载波包络位相稳定的、最高单脉冲能量分别可以达到20mJ (脉冲宽度50fs)和2mJ (脉宽<2个光周期) 两种模式激光脉冲输出。所述的光学参量放大系统3输出的中红外激光经第一抛物面镜4聚焦后经第一窗片5进入第一气体池6产生高次谐波相干辐射光，该高次谐波相干辐射光为超强飞秒激光驱动的原子高次谐波XUV波段(光子能量30eV ^eV)、极短脉冲宽度(IOOas Ifs)相干辐射输出、标称单脉冲能量可达lOOnJ/lfs。
所述输出的稳定的XUV相干辐射光源参数为波长<10nm，脉宽l_5fs，脉冲能量 l-10mj。(根据已有技术结合我们的方案，可推算得到这样的结果)
本实施例的工作过程
百太瓦级高重复频率钛宝石激光系统1输出的激光经过分束片2分为透射光和反射光，该透射光进入光学参量放大系统3产生中红外激光，经第一抛物面镜4聚焦后经窗片5 进入第一气体池6产生高次谐波相干辐射光，该高次谐波相干辐射光经第二抛物面镜7聚焦、反射镜8反射，穿过第一磁透镜12注入到波荡器13中，其中第一气体池6的气体(氩气或氖气)经第一进气口 61注入；所述的反射光由第二窗片9进入经第三抛物面镜10聚焦进入第二气体池11产生高能电子束，该高能电子束经第一磁透镜12偏转后也进入所述的波荡器I3中，其中第二气体池11的气体(氦氧混合气)经第二进气口 111、第三进气口 112注入；所述的波荡器13对所述的高次谐波相干辐射信号进行增益后，由所述的波荡器13输出的高能电子束和相干辐射光进入第二磁透镜14，经第二磁透镜14对所述的高能电子束偏转而进入电子测量系统15，所述的相干辐射光即X射线自由电子激光经第三窗片16输出。本发明全光驱动的全相干台式X射线自由电子激光器，可以产生时间和空间上完全相干的、脉冲宽度达到飞秒甚至亚飞秒级的χ射线辐射光源。
权利要求
1.一种全光驱动的全相干台式X射线自由电子激光器，其特征在于其构成包括一台百太瓦级高重复频率的钛宝石激光系统(1 )，该钛宝石激光系统(1)输出的激光经分束片(2) 分成反射光束和透射光束，该透射光束进入光学参量放大系统(3)产生中红外激光，该中红外激光经第一抛物面镜(4)聚焦后经第一窗片(5)进入第一气体池(6)产生高次谐波相干辐射光，该高次谐波相干辐射光经第二抛物面镜(7)聚焦、反射镜(8)反射，穿过第一磁透镜(12)注入到波荡器(13)中，所述的第一气体池(6)的气体经第一进气口(61)注入； 所述的反射光束依次经第二窗片(9)、第三抛物面镜(10)聚焦反射后进入基于两段气体级联加速的第二气体池(11)产生高能电子束，该高能电子束经第一磁透镜(12)偏转后也进入所述的波荡器(13)中，所述的第二气体池(11)的气体经第二进气口(111)和第三进气口(112)注入；所述的波荡器(13)对高次谐波相干辐射信号进行增益后，由所述的波荡器 (13)输出的高能电子束和相干辐射光进入第二磁透镜(14)，经第二磁透镜(14)对所述的高能电子束偏转而进入电子测量系统(15)，所述的相干辐射光即X射线自由电子激光经第三窗片(16)输出，除所述的钛宝石激光系统(1)、分束片(2)、光学参量放大系统(3)和第一抛物面镜(4)外，所述的第一窗片(5)、第二窗片(9)和第三窗片(16)分别位于真空腔(17) 的前腔壁和后腔壁上，其他元部件都位于一个真空腔(17)中。
2.根据权利要求1所述的全光驱动的全相干台式X射线自由电子激光器，其特征在于所述的光学参量放大系统(3)，将SOOnm波长的钛宝石激光系统输出的激光波长变为 1300 5000nm中红外波段。
3.根据权利要求1所述的全光驱动的全相干台式X射线自由电子激光器，其特征在于所述的高次谐波相干辐射光为高次谐波XUV波段，光子能量30eV 2keV、脉冲宽度为 IOOas Ifs的相干辐射，标称单脉冲能量为100 nj/lfs。
4.根据权利要求1所述的全光驱动的全相干台式X射线自由电子激光器，其特征在于所述的钛宝石激光系统输出的最高峰值功率200TW，脉冲宽度30 40fs，中心波长800 nm，重复频率10 Hz0
5.根据权利要求1至4任一项所述的全光驱动的全相干台式X射线自由电子激光器， 其特征在于所述的输入第一气体池(6)的气体为氩气或氖气，输入第二气体池(11)的气体是由进气口( 111)进入氦氧混合气和由进气口( 112 )进入纯氦气。
全文摘要
一种全光驱动的全相干台式X射线自由电子激光器，采用全光驱动的方法来获得时间、空间完全相干的的X射线自由电子激光。无论是高次谐波(HH)注入源，还是高能电子注入源，都采用了同一台激光系统作为驱动，从而可以产生完全相干的台式化X射线自由电子激光输出。这种全相干“水窗”波段甚至keV量级的阿秒光源，在物理学、化学、生命科学、材料科学等领域的都有重要应用。
文档编号H01S4/00GK102340096SQ20111030601
公开日2012年2月1日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者冷雨欣, 刘建胜, 徐至展, 曾志男, 李儒新, 王文涛 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所