X射线自由电子激光偏振控制的理论和实验研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 高张峰 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 王东 |
| 关键词 | 偏振控制 射频波荡器 飞秒脉冲 太赫兹源 |
| 英文摘要 | 自由电子激光(Free Electron Laser,FEL)由于其独特的作用原理可以产生具有超短脉冲、超高光子能量、超强辐射功率以及全相干等特性的辐射光,在物理、化学、生物、材料等诸多学科领域具有广泛的应用,更是一些前沿研究领域的重要工具。自由电子激光在过去的几十年间发展迅速,不仅完成了从低增益到高增益的转变,辐射波长也从可见光、红外波段向外延伸,向上提升至太赫兹、微波波段,向下则降低至软X射线、硬X射线波段。世界上最早的X射线自由电子激光运行模式是自放大自发辐射。因为SASE模式原理简单,稳定性强,世界上大部分高增益X射线自由电子激光装置均以SASE作为其基本运行模式。为了提升FEL的纵向相干性,自种子型和外种子型方案相继被提出。如今,高增益自由电子激光理论已经得到了巨大的发展,并被实验验证。常规平面型波荡器只能辐射线偏振光,但随着圆二色谱的广泛应用,偏振可控的X射线FEL装置愈发受到用户的青睐。一般而言,可以利用1/4波片完成线偏振光和圆偏振光之间的转化,但在各种材料吸收率都较高的软X射线波段,我们需要在波荡器辐射阶段完成偏振控制。本论文将依托在建的上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)和上海高重频X射线自由电子激光装置(SHINE),对高增益FEL辐射的偏振控制进行研究。用波荡器在高增益型自由电子激光中直接获得圆偏振辐射光的方法主要有两类,其一是交叉平面波荡器(CPU),其二是椭圆极化波荡器(EPU)。前者结构简单,造价低,但辐射偏振度不高;后者辐射偏振性能强但造价昂贵,且对共振关系有一定的限制,很难得到兼具短周期和高峰值磁场强度的EPU波荡器。在软X射线波段主要采用EPU波荡器辐射圆偏振光以获得更优异的偏振性能。本论文在模拟中通过优化上游平面波荡器的参数提高辐射圆偏度,并根据运行指标分析方案的稳定性,计算波荡器的峰值磁场确定加工难度。同时额外设计了束流偏转结构以实现左/右旋圆偏振光快速切换,并分析了对束流稳定性的要求。在硬X射线波段获取特定偏振方向的线偏振光可以由偏振片或是特制的平面波荡器实现。本论文比较了基于光学元件的方法和基于波荡器的方法之间的辐射效果差异,最终选择辐射更强、极化纯度更高且成本更低的光学方法。EPU波荡器很难用于硬X射线辐射,于是模拟验证了交叉平面波荡器(CPU)在自种子硬X射线装置辐射圆偏振光的可行性,并通过改变束流横向包络达到在不同共振波长兼容的目的。为了满足更短的波荡器周期和更强的峰值磁场,本论文基于射频波荡器(RF undulator)的原理设计EPU波荡器。先用Genesis模拟验证该波荡器参数可有效产生FEL辐射,再根据此参数初步确定射频波荡器的腔体尺寸。进一步优化腔体尺寸,经过CST仿真确认腔体结构的高效性以及可以激发出稳定的周期电磁场。最后完成耦合器设计,得到所需的微波模式。本论文将EPU波荡器与超快X射线FEL辐射结合,先利用fresh-slice方法在SXFEL上模拟得到全相干X射线自由电子激光飞秒脉冲;再分析飞秒脉冲激光对束流参数的敏感性,验证方案的可行性;最后让EPU波荡器共振于二次谐波并置于辐射段之后,可同时获得基波的飞秒线偏振光和二次谐波的飞秒圆偏振光,且二者都是全相干辐射。最后,本论文依托SXFEL研究了基于预群聚电子束团的太赫兹源,从数值计算和三维模拟两方面评估了单束团太赫兹辐射的强度,并分析了不同束流及波荡器参数对此的影响。在此基础上,为清华基于非线性等离子体尾场调制的太赫兹辐射方案优化了辐射能量,增进了对多束团太赫兹辐射的了解。此外还发现了EPU波荡器在太赫兹源中的优势,更短的增益长度与更强的饱和功率对增强太赫兹辐射能量非常有利。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33895]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 高张峰. X射线自由电子激光偏振控制的理论和实验研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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