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外種子自由電子激光的主要優(yōu)勢(shì)是可以繼承種子激光的優(yōu)秀特性，具有優(yōu)異的橫向相干性、縱向相干性和波長穩(wěn)定性等。同時(shí)，和任意一個(gè)信號(hào)系統(tǒng)類似，在外種子FEL的高次諧波轉(zhuǎn)換過程中，種子激光和電子束團(tuán)的微小噪聲和缺陷也會(huì)被繼承，并被進(jìn)一步放大。一般認(rèn)為，外種子FEL的輸出信噪比與其諧波轉(zhuǎn)換次數(shù)的平方成反比，即隨著諧波次數(shù)的增大，外種子FEL頻譜等性能會(huì)嚴(yán)重退化，也就是所謂的噪聲演化問題。因此，噪聲問題被認(rèn)為是限制外種子FEL向X射線擴(kuò)展的一個(gè)重要因素。 

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理所研究人員，近日在外種子FEL噪聲研究方面取得新進(jìn)展，修正揭示了外種子FEL的噪聲演化規(guī)律，相關(guān)研究成果發(fā)表在Phys. Rev. ST-AB 16(2013) 060705，Nucl. Instr. Meth. A 737(2014) 237和Nucl. Instr. Meth. A 753(2014) 56。通過引入種子激光和電子束團(tuán)之間的相對(duì)滑移，研究人員發(fā)現(xiàn)，種子激光相位噪聲的放大并非簡(jiǎn)單地遵守N平方規(guī)律，可以通過增加調(diào)制段波蕩器周期數(shù)來有效抑制，從而改善外種子FEL性能。當(dāng)種子激光為超短脈沖情況下，理論和模擬均證明，外種子FEL可以完全補(bǔ)償種子激光的相位噪聲，從而輸出縱向相干性非常優(yōu)秀的輻射脈沖。同時(shí)，研究人員還系統(tǒng)地分析了不同模式外種子FEL對(duì)電子束團(tuán)噪聲的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)PEHG和EEHG兩種模式可以做到對(duì)電子束能量噪聲較小的響應(yīng)。 

外種子FEL噪聲問題的研究修正了以前的理論預(yù)期，證明目前的激光技術(shù)可以非常好的滿足外種子FEL對(duì)種子激光的要求，并為全相干FEL裝置向更短波長發(fā)展提供了理論依據(jù)，對(duì)建設(shè)中的大連相干光源和上海軟X射線試驗(yàn)裝置都有積極意義。本項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金委、國家科技部973項(xiàng)目和中國科學(xué)院的資助支持。

文章鏈接：

http://journals.aps.org/prstab/abstract/10.1103/PhysRevSTAB.16.060705

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900213015593

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900214002903

左圖：隨著調(diào)制段波蕩器的周期數(shù)增加，外種子FEL的噪聲放大倍數(shù)逐漸變小。右圖：電子束團(tuán)的非線性能量chirp對(duì)不同模式外種子FEL頻譜的影響，可以看出，HGHG輸出的縱向相干性明顯降低，EEHG對(duì)電子束團(tuán)能量的chirp不太敏感，而PEHG對(duì)這種電子束團(tuán)能量的不完美型天然免疫。

　　基于電子束團(tuán)相干輻射的外種子FEL波蕩器準(zhǔn)直與調(diào)試方法 

短波長自由電子激光的飽和出光，不單需要直線加速器提供高品質(zhì)電子束團(tuán)，而且需要確保電子束團(tuán)在波蕩器系統(tǒng)中高精度扭擺，這就涉及到波蕩器系統(tǒng)準(zhǔn)直、波蕩器間隙設(shè)定、波蕩器段間相位匹配和尾場(chǎng)補(bǔ)償?shù)葐栴}。因此，在交付用戶之前，F(xiàn)EL裝置都要經(jīng)歷漫長的調(diào)束階段，以便掌握和優(yōu)化整個(gè)FEL裝置的性能。

基于電子束團(tuán)的準(zhǔn)直（BBA）是粒子加速器領(lǐng)域常用的準(zhǔn)直方法。利用BBA技術(shù)，美國LCLS自由電子激光在132m波蕩器達(dá)到了小于5μm的束流軌道。波蕩器的BBA過程需要改變電子束能量、讀取大量BPM數(shù)值和復(fù)雜的數(shù)值算法，鑒于此，LCLS是目前唯一成功運(yùn)行BBA的FEL裝置?；陔娮邮鴪F(tuán)自發(fā)輻射的準(zhǔn)直（PBA），是近年發(fā)展起來的FEL波蕩器準(zhǔn)直方法。利用波蕩器下游的光學(xué)系統(tǒng)，獨(dú)立測(cè)量各段波蕩器的自發(fā)輻射譜，推出束流軌道相關(guān)信息，從而加以反饋調(diào)整。日本SACLA自由電子激光利用PBA在110米波蕩器達(dá)到了1μm的束流軌道。

由于其優(yōu)越的全相干性和波長穩(wěn)定性，外種子FEL已經(jīng)成為紫外至軟X射線波段用戶裝置的首選工作模式。外種子FEL電子束團(tuán)能量相對(duì)較低，通常在0.3-1GeV量級(jí)，電子束剛性差，大幅改變電子束能量的BBA幾乎無法正常工作；另外，外種子FEL的工作波段沒有可用的晶體單色儀，無法進(jìn)行類似SCALA的自發(fā)輻射準(zhǔn)直。因此，對(duì)于外種子FEL，探索新的波蕩器系統(tǒng)調(diào)試方法，是極具意義的一個(gè)科學(xué)問題。

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所長期從事外種子FEL物理和實(shí)驗(yàn)研究，科研人員在總結(jié)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了基于電子束團(tuán)相干輻射的外種子FEL波蕩器調(diào)試方法，并在SDUV-FEL試驗(yàn)裝置上完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相關(guān)研究成果近日發(fā)表在Phys. Rev. ST-AB. 17 (2014) 100702。研究表明，通過分析已群聚電子束在輻射段波蕩器的相干輻射性能，同樣能得到波蕩器內(nèi)的束流軌道和共振關(guān)系等信息，便可以實(shí)現(xiàn)外種子FEL波蕩器系統(tǒng)的束流軌道準(zhǔn)直。另外，基于電子束團(tuán)相干輻射的準(zhǔn)直技術(shù)與整個(gè)FEL調(diào)試渾然一體，更為直觀，除波蕩器準(zhǔn)直之外，還可以用來設(shè)定波蕩器的工作磁間隙和波蕩器的段間相位匹配等。

目前，我國首個(gè)高增益FEL用戶裝置（大連相干光源）和首個(gè)X射線FEL（上海軟X射線FEL試驗(yàn)裝置）均采用外種子FEL工作模式，并在2~3年內(nèi)進(jìn)入FEL調(diào)試階段。因此，基于電子束團(tuán)相干輻射的波蕩器準(zhǔn)直和調(diào)試方法的提出，對(duì)我國FEL裝置建設(shè)有十分重要的實(shí)際意義。本項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金委、國家科技部973項(xiàng)目和中國科學(xué)院的資助支持，由中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所馮超博士和鄧海嘯博士等合作完成。

文章鏈接：

https://journals.aps.org/prstab/abstract/10.1103/PhysRevSTAB.17.100702

在基于電子束團(tuán)相干輻射的外種子FEL波蕩器準(zhǔn)直調(diào)試方法中，當(dāng)電子束在水平方向以一個(gè)傾角進(jìn)入波蕩器，并且波蕩器的gap大于FEL共振關(guān)系所需時(shí)，在下游CCD上看到的電子束團(tuán)相干輻射的空間分布，左：SDUV-FEL實(shí)驗(yàn)結(jié)果，右：從頭至尾的數(shù)值模擬結(jié)果。

全光學(xué)X射線光源的輻射性能提升 

相對(duì)于射頻電子加速器驅(qū)動(dòng)的X射線光源，發(fā)展全光學(xué)X射線光源，對(duì)減小同步輻射和自由電子激光的裝置規(guī)模很有好處。所謂全光學(xué)光源，即利用激光等離子尾場(chǎng)加速原理獲得高能量電子束團(tuán)，并用激光電場(chǎng)來替代常規(guī)的波蕩器。激光等離子加速能產(chǎn)生比常規(guī)射頻加速器高2-3個(gè)量級(jí)的加速梯度，而激光波蕩器的周期長度比常規(guī)磁鐵波蕩器小2-3個(gè)量級(jí)，因此，全光學(xué)方法可以將光源規(guī)模急劇縮小，是桌面型X射線光源的可行方案，對(duì)于同步輻射和自由電子激光等光源的普及應(yīng)用具有十分重要的意義。 

激光等離子加速產(chǎn)生電子束團(tuán)峰值流強(qiáng)高（一般可達(dá)數(shù)千安培），束團(tuán)長度短（一般僅有幾個(gè)飛秒），橫向發(fā)射度極低（如0.1微米弧度），這些特性均十分符合高亮度X射線光源對(duì)電子束團(tuán)的要求。然而，目前為止，激光等離子體加速產(chǎn)生的電子束團(tuán)能散在1%以上，尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X射線FEL的需求，這就限制了其在高增益X射線FEL方面的應(yīng)用。 

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所研究人員發(fā)現(xiàn)，通過耦合電子能量和橫向位置，并調(diào)節(jié)電子束在激光場(chǎng)中扭擺的中心位置，便可以補(bǔ)償全光學(xué)X射線光源中電子束團(tuán)的能散效應(yīng)，相關(guān)研究成果近日發(fā)表在Optics Express22(2014)13880。具體原理如下：首先利用橫向色散元件將電子束團(tuán)的縱向能量映射到橫向分布；其次激光場(chǎng)在橫向天然具有高斯分布，即場(chǎng)強(qiáng)從橫切面中心位置向四周遞減，只要入射電子束團(tuán)不在激光場(chǎng)中心扭擺，便自然感受到橫向場(chǎng)梯度的存在，也就是所謂的具有橫向梯度的激光波蕩器。這樣安排下，不同能量電子均滿足自由電子激光共振條件，便可將能量轉(zhuǎn)換效率提高2-3個(gè)量級(jí)，并改善FEL橫向模式。

本項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金委、國家科技部973項(xiàng)目和中國科學(xué)院的資助支持，由中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理所張彤博士和鄧海嘯博士等合作完成。（自由電子激光技術(shù)部 供稿）

文章鏈接：

http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-22-11-13880

左圖：全光學(xué)光源中，電子束團(tuán)（紅色圓點(diǎn)）以一個(gè)橫向偏移進(jìn)入激光波蕩器場(chǎng)扭擺；中圖：縱向能量和橫向位置關(guān)聯(lián)的電子束團(tuán)在激光波蕩器梯度場(chǎng)中符合共振關(guān)系；右圖：全光學(xué)光源輻射功率隨激光束斑大小和橫向偏移的變化情況，紅色區(qū)域?yàn)閮?yōu)化區(qū)域。