CN101866059A

CN101866059A - 激光电子加速器中毛细管的准直方法

Info

Publication number: CN101866059A
Application number: CN201010177592A
Authority: CN
Inventors: 刘明伟; 邓爱华; 徐建彩; 夏长权; 刘建胜; 李儒新; 沈百飞
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2030-05-14
Also published as: CN101866059B

Abstract

一种激光电子加速器中毛细管的准直方法，步骤包括：①找会聚光束的焦点位置，设置会聚光束同心的同心环板；②确定小孔光阑的位置；③设置反射镜、CCD相机和计算机；④精确调节小孔光阑的位置；⑤设置毛细管，精确调节毛细管与主激光的准直。本发明方法具有原理清晰、操作方便、快捷、准直调节准确的特点。该方法还可动态检测在靶室抽真空过程中毛细管与主激光的准直性变化过程，本发明也可用于调节和监控大尺寸光束聚焦后与任意微通道的准直。

Description

激光电子加速器中毛细管的准直方法

技术领域

本发明涉及激光电子加速器，特别是一种激光电子加速器中毛细管的准直方法，该方法还可动态检测在靶室抽真空过程中毛细管与主激光的准直性变化过程，本发明也可用于调节和监控大尺寸光束聚焦后与任意微通道的准直。

背景技术

由于介质存在电场击穿，传统射频加速器的加速梯度要低于100MV/m，所以只能通过不断增加加速器的长度和体积来得到更高能的粒子束。与传统加速器固体介质相比，等离子体本身就是电离的准电中性介质，能够承载大得多的加速电场，可以作为新一代加速器的理想加速介质。利用聚焦的超强超短激光脉冲(主激光脉冲，指从10Hz光中选某个脉冲或全部脉冲放大再压缩后得到的激光脉冲)在等离子体中可以驱动大振幅电子振荡(即plasma wave，等离子体波)，但质量相对较重的离子基本保持不动，则在振荡电子与离子之间由于电荷分离产生非常大的电场(即laser wakefield，激光尾波场)，如当等离子体电子密度为10¹⁸cm^-3时，该电场约为96GV/m，且随电子密度的增加而增大。因此，可以利用超强超短激光脉冲驱动等离子体波的方法来建造新一代紧凑、造价相对低廉的台面型激光电子加速器。国外也开始申请这方面的专利技术。

利用激光在等离子体中把电子加速到极高能量，同样需要考虑有效的加速距离。在10¹⁹cm^-3以及更低密度的等离子体中，电子被加速后跑出加速相位的失谐长度在cm量级。但是，经过聚焦的超短超强脉冲激光的Rayleigh长度要远小于该失谐长度。因此，要获得GeV量级的电子能量增益，需要先在等离子体中产生适当的波导结构，如通过毛细管放电(管内充气或直接烧蚀管内壁)形成等离子体通道来导引主激光脉冲。利用该类通道，国际上已经成功实现1GeV的准单能电子束。

如何调节和监控主激光与毛细管的准直性(主激光光轴与毛细管中心轴重合)是毛细管放电通道导引激光加速电子的关键技术之一：一方面，直接决定了在等离子体通道中能否重复实现光导引，从而影响了能否重复产生准单能电子束；另一方面，当主激光与毛细管的准直性变化时，将影响所产生的电子束的指向性。目前有两种方法可调节毛细管与主激光的准直：第一种是直接用10Hz(未加放大)主激光来调节，用望远镜观看毛细管入口处激光焦点位置，再用CCD相机观测经过毛细管后的出射光斑；第二种方法是再用一束辅助激光(如He-Ne激光)与主激光准直之后，再用辅助激光来调节毛细管的准直。这些方法的缺点在于：

1、由于主激光光斑通常非常大(比如直径150mm)，一般用焦距1m量级的离轴抛物镜聚焦且焦点位于毛细管入口处，毛细管孔径≤0.5mm，则毛细管出口处的主激光实际光斑大小要远大于毛细管的孔径。因此，第一种方法用望远镜能保证焦点位于毛细管入口的中心，但用CCD相机探测到的出射光斑并不能准确反映主激光是否偏离毛细管中心轴倾斜出射，即只从一个点(焦点)保证毛细管的准直；同时，由于主激光脉宽通常只有几十fs，这种光也会对毛细管内壁造成损伤。

2、第二种方法可以在一定程度上避免第一种方法的缺点。但是，由于是间接调节，两束激光之间、辅助激光与毛细管之间的调节误差将会增大主激光与毛细管之间的准直误差；而且，由于每束激光本身存在指向性抖动，进一步增加了间接调节的难度和误差。

3、毛细管与主激光的准直一般是在空气中先调节好，再对靶室抽真空，在此过程中，主激光传播方向变化较大，用辅助激光间接调节，不能确切反映出抽真空前后主激光与毛细管之间的准直性变化情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有方法存在的缺点，提供一种激光电子加速器中毛细管的准直方法，该方法应具有原理清晰、操作方便、快捷和准直调节准确的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光电子加速器中毛细管的准直方法，是利用10Hz未加放大的主激光限束后调节毛细管与主激光准直的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：①找会聚光束的焦点位置，设置会聚光束同心的同心环板；②确定小孔光阑的位置；③设置反射镜、CCD相机和计算机；④精确调节小孔光阑的位置；⑤设置毛细管，精确调节毛细管与主激光的准直。

该方法的具体步骤如下：

①同心环板的放置：对大光斑主激光束经离轴抛物镜或透镜聚焦后的会聚光束，先用探片找到主激光的会聚光束的焦点位置；在焦点之后的光路中并垂直于该光路插入同心环板，且保证在所述的焦点与同心环板之间的光路中有加入毛细管和反射镜的空间，调节所述的同心环板，使所述的同心环板的环中心与所述的会聚光束的光斑中心重合；

②小孔光阑的放置：计算小孔光阑在所述的会聚光束焦点之前的光轴上的位置L≥Dl/d，其中D为所述的小孔光阑的光阑孔径、d为毛细管孔径、l为毛细管的长度，L为所述的小孔光阑与所述的焦点的距离；垂直于所述的光路在所述的焦点之前L的地方插入所述的小孔光阑，调节所述的小孔光阑，使从所述的小孔光阑的光阑小孔中透过的光束的光斑中心与所述的同心环板的环中心重合；

③反射镜的放置：在所述的焦点之后的光路中，在保证能方便加入毛细管的地方，与光路成45°夹角插入反射镜，在该反射镜的反射光路上设置CCD相机，该CCD相机的输出端与计算机的输入端相连；调节所述的小孔光阑，使用所述的CCD相机采集所述的小孔光阑的几何光斑图样并显示在所述的计算机上，最后呈现一幅所述的小孔光阑的几何光斑图样的中心与小孔光阑衍射环图样的中心重合且中心对称的图像，得到经所述的小孔光阑的中心重合、中心对称的小光斑光束，即为准直光束；

④毛细管的放置：将毛细管的入口端定位于所述的焦点位置，将该毛细管的长度方向沿所述的准直光束置于所述的焦点之后，调节该毛细管，使所述的准直光束穿过所述的毛细管的中心轴孔，使所述的CCD相机采集到所述的毛细管的图样并显示在所述的计算机上，最后呈现一幅所述的毛细管的几何光斑图样的中心与毛细管衍射环图样的中心重合且中心对称的图像，实现所述的毛细管与所述的主激光束准直；

⑤将所述的小孔光阑、毛细管、反射镜和同心环板通过各自的调整机构固定在所述的平台上，通过所述的CCD相机和计算机对所述的毛细管与所述的主激光束准直情况进行实时监控，随时进行校准，当所述的激光电子加速器准备进行电子加速实验时，横向撤离所述的小孔光阑、反射镜和同心环板。

所述的同心环板置于由光学调整架、底座和电控平移台组成的调节机构上，具有左右平移、上下平移、可调俯仰角和左右偏转角调节。

所述的小孔光阑置于由光学调整架、底座和电控平移台组成的调节机构上，具有左右平移、上下平移、可调俯仰角和左右偏转角调节。

所述的反射镜置于由光学调整架、底座和电控平移台组成的调节机构上，具有左右平移、上下平移、可调俯仰角和左右偏转角调节。

所述的毛细管固定在五维调整架上，该五维调整架具有前后、左右、上下、俯仰角和左右偏转角的调节。

本发明的基本原理如下：

大光斑光束经离轴抛物镜或透镜聚焦后聚焦后，在焦点处的束宽一般非常小，该焦点位置可以做为确定主激光光轴位置和方向的一个参考点。在焦点之后垂直光传播方向放一同心环板，当同心环中心与该平面上光斑中心重合时，同心环中心即处在光轴上。根据衍射光学理论和几何光学理论，对于会聚的激光束，如果在会聚透镜(或抛物镜)之后、焦点之前用光阑限孔，仅当光阑小孔垂直光轴，且光阑小孔的中心在光轴上时，会聚光透过光阑小孔后的衍射环的中心和几何光斑的中心才会重合，并呈现很好的对称性，此时，由小孔光阑截取的小光斑光束的光轴位置和方向与原来大光斑光束的光轴位置和方向一致，即用小孔光阑截取的小光斑光束准确地标定了主激光的光轴位置和方向。当该小光斑光束再通过毛细管，如果其光轴与毛细管的中心轴孔重合，则该小光斑光束从毛细管出射后的光斑依然保持很好的对称性；如果光轴相对于毛细管的中心轴存在偏移，则从毛细管出射后的光斑的对称性被破坏，因此，可以利用该小光斑光束按照此现象精确调节毛细管与主激光的准直。小孔光阑与毛细管的相对位置在抽真空前后基本保持不变，通过观察经小孔光阑、毛细管后出射的光束的光斑对称性，就可以实时监控抽真空前后主激光传播方向的变化以及所导致的与毛细管的准直性变化，并可以随时进行校正。

本发明的优点：

1、本发明采用限束方法得到直接标定主激光轴向的小光斑光束，与未限孔直接用10Hz(未放大)主激光相比较，它可以方便地准确标定主激光的轴向，避免由于主激光偏离毛细管中心轴出射带来的准直误差。

2、本发明中的小光斑光束来源于10Hz(未放大)主激光，避免了使用辅助激光的间接调节误差。

3、本发明中通过所述的CCD相机采集的毛细管的中心轴孔图样并显示在所述的计算机上，可以实时监控激光电子加速器抽真空前后主激光与毛细管之间的准直性变化情况，并可以随时进行校正。更具有实用性和快捷性。

4.由于所述的小孔光阑、毛细管、反射镜和同心环板都具有各自的光学调整架和电控平移台，当所述的激光电子加速器准备进行电子加速实验时，横向撤离所述的小孔光阑、反射镜和同心环板。当需要监控时，又可恢复准直状态，工作十分方便。

5、本发明方法具有原理清晰、操作方便、快捷、准直调节准确的特点。

附图说明

图1为本发明激光电子加速器中毛细管的准直方法的原理性示意图。

1——小孔光阑，2——毛细管，3——反射镜，4——中心带十字的同心环板，5——CCD相机，6——计算机

图2为本发明激光电子加速器中毛细管的准直方法实例调节中步骤①的示意图。

图3为本发明激光电子加速器中毛细管的准直方法实例调节中步骤②的示意图。

图4为本发明激光电子加速器中毛细管的准直方法实例调节中步骤③的示意图。

图5为本发明激光电子加速器中毛细管的准直方法实例调节中步骤④的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明激光电子加速器中毛细管的准直方法的原理性示意图。由图可见，应用该方法时，所用的装置和部件包括小孔光阑1、毛细管2、反射镜3、同心环板4、CCD相机5和计算机6。

所述的小孔光阑1和同心环板4应该四维可调：以激光传播方向为前进方向(纵向)，则要求能左右平移、上下平移、可调俯仰角和左右偏转角。在本实施例中，小孔光阑1和同心环板4都分别固定在具有调整俯仰角和左右偏转角的二维光学调整架上，该二维光学调整架所用的底座都是上下方向一维可调，底座分别固定在水平横向放置的不同电控平移台上，由电控平移台调节左右平移。在进行电子加速时，小孔光阑1、反射镜3、同心环板4都必须从光路中移除，因此，反射镜3也是固定在水平横向放置的电动平移台上，可以沿左右方向撤离。为准确标定主激光轴向，并避免损伤毛细管内壁，要求标定主激光所用的小光斑光束在毛细管出口处的束宽要小于毛细管孔径。假设小孔光阑1的孔径为D，到毛细管2入口处(即主激光焦点位置)的距离为L，毛细管2的孔径和长度分别为d和l，则要求满足关系式：

Dl/dL＜1. (1)

同时，根据激光电子加速器的基本原理，毛细管2的入口也要保证处于主激光的焦点位置，因此，毛细管应该固定在五维调整架上，即要求前后、左右、上下、俯仰角和左右偏转角都可调。而毛细管的准直精度主要取决于所使用的CCD相机5，实例中我们使用Cool SNAP K4CCD相机，像元尺寸7.4μm×7.4μm，准直误差可以控制在10μm量级。

一种激光电子加速器中毛细管的准直方法，(参见图2、图3、图4和图5)包括下列步骤：

①同心环板的放置：对大光斑主激光束经离轴抛物镜或透镜聚焦后的会聚光束，先用探片找到主激光的会聚光束的焦点位置；在焦点之后的光路中并垂直于该光路插入同心环板4，且保证在所述的焦点与同心环板4之间的光路中有加入毛细管2和反射镜3的空间，调节所述的同心环板4，使所述的同心环板4的环中心与所述的会聚光束的光斑中心重合；

②小孔光阑的放置：计算小孔光阑1在所述的会聚光束焦点之前的光轴上的位置L≥Dl/d，其中D为所述的小孔光阑1的光阑孔径、d为毛细管孔径、l为毛细管的长度，L为所述的小孔光阑1与所述的焦点的距离；垂直于所述的光路在所述的焦点之前L的地方插入所述的小孔光阑1，调节所述的小孔光阑1，使从所述的小孔光阑1的光阑小孔中透射光束的光斑中心与所述的同心环板4的环中心重合；

③反射镜的放置：在所述的焦点之后的光路中，在保证能方便加入毛细管2的地方，与光路成45°夹角插入反射镜3，在该反射镜3的反射光路上设置CCD相机5，该CCD相机5的输出端与计算机6的输入端相连；调节所述的小孔光阑1，使用所述的CCD相机5采集所述的小孔光阑1的几何光斑图样并显示在所述的计算机6上，最后呈现一幅所述的小孔光阑1几何光斑图样的中心与衍射环图样的中心重合且中心对称图像，即得到经所述的小孔光阑1的中心重合、中心对称的小光斑光束，即为准直光束；

④毛细管的放置：将毛细管2的入口端定位于所述的焦点位置，将该毛细管2的长度方向沿所述的准直光束置于所述的焦点之后，调节该毛细管2，使所述的准直光束穿过所述的毛细管2的中心轴孔，使所述的CCD相机5采集到的图样并显示在所述的计算机6上，最后呈现一幅所述的毛细管2的几何光斑图样的中心与衍射环图样的中心重合且中心对称的图像，即所述的毛细管2与所述的主激光束准直；

⑤将所述的小孔光阑1、毛细管2、反射镜3和同心环板4通过各自的光学调整架和电控平移台固定在所述的平台上，通过所述的CCD相机5和计算机6对所述的毛细管2与所述的主激光束准直情况进行实时监控，随时进行校准，当所述的激光电子加速器准备进行电子加速实验时，横向撤离所述的小孔光阑1、反射镜3和同心环板4。

实验证明，本发明具有以下优点：

1、本发明采用限束方法直接从10Hz(未放大)主激光得到小光斑光束，可以方便、准确标定主激光的轴向，避免由于主激光光轴相对于毛细管中心轴倾斜带来的准直误差。

2、本发明中的小光斑光束直接来源于10Hz(未放大)主激光，避免了使用辅助激光的间接调节误差。

3、本发明中通过观察CCD相机探测到的光斑是否变化可以实时监控毛细管准直性的变化情况。更具有实用性和快捷性。

Claims

1.一种激光电子加速器中毛细管的准直方法，其特征在于该方法包括下列步骤：①找会聚光束的焦点位置，设置会聚光束同心的同心环板；②确定小孔光阑的位置；③设置反射镜、CCD相机和计算机；④精确调节小孔光阑的位置；⑤设置毛细管，精确调节毛细管与主激光的准直。

2.根据权利要求1所述的激光电子加速器中毛细管的准直方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

①找会聚光束的焦点位置，设置会聚光束同心的同心环板：对大光斑主激光束经离轴抛物镜或透镜聚焦后的会聚光束，先用探片找到主激光的会聚光束的焦点位置；在焦点之后的光路中并垂直于该光路插入同心环板(4)，且保证在所述的焦点与同心环板(4)之间的光路中有加入毛细管(2)和反射镜(3)的空间，调节所述的同心环板(4)，使所述的同心环板(4)的环中心与所述的会聚光束的光斑中心重合；

②确定小孔光阑的位置：计算小孔光阑(1)在所述的会聚光束焦点之前的光轴上的位置L≥Dl/d，其中D为所述的小孔光阑(1)的光阑孔径、d为毛细管孔径、l为毛细管的长度，L为所述的小孔光阑(1)与所述的焦点的距离；垂直于所述的光路在所述的焦点之前L的地方插入所述的小孔光阑(1)，调节所述的小孔光阑(1)，使从所述的小孔光阑(1)的光阑小孔中透过的光束的光斑中心与所述的同心环板(4)的环中心重合；

③设置反射镜、CCD相机和计算机：在所述的焦点之后的光路中，在保证能方便加入毛细管(2)的地方，与光路成45°夹角插入反射镜(3)，在该反射镜(3)的反射光路上设置CCD相机(5)，该CCD相机(5)的输出端与计算机(6)的输入端相连；

④精确调节小孔光阑的位置：调节所述的小孔光阑(1)，使用所述的CCD相机(5)采集所述的小孔光阑(1)的几何光斑图样并显示在所述的计算机(6)上，最后呈现一幅所述的小孔光阑(1)的几何光斑图样的中心与小孔光阑(1)衍射环图样的中心重合且中心对称的图像，得到经所述的小孔光阑(1)的中心重合、中心对称的小光斑光束，即为准直光束；

⑤设置毛细管，调整毛细管准直：将毛细管(2)的入口端定位于所述的焦点位置，将该毛细管(2)的长度方向沿所述的准直光束置于所述的焦点之后，调节该毛细管(2)，使所述的准直光束穿过所述的毛细管(2)的中心轴孔，使所述的CCD相机(5)采集到所述的毛细管(2)的图样并显示在所述的计算机(6)上，最后呈现一幅所述的毛细管(2)的几何光斑图样的中心与毛细管(2)衍射环图样的中心重合且中心对称的图像，实现所述的毛细管(2)与所述的主激光束准直；

将所述的小孔光阑(1)、毛细管(2)、反射镜(3)和同心环板(4)通过各自的调整机构固定在所述的平台上，通过所述的CCD相机(5)和计算机(6)对所述的毛细管(2)与所述的主激光束准直情况进行实时监控，随时进行校准，当所述的激光电子加速器准备进行电子加速实验时，横向撤离所述的小孔光阑(1)、反射镜(3)和同心环板(4)。

3.根据权利要求2所述的激光电子加速器中毛细管的准直方法，其特征在于所述的同心环板(4)置于由光学调整架、底座和电控平移台组成的调节机构上，具有左右平移、上下平移、可调俯仰角和左右偏转角调节。

4.根据权利要求2所述的激光电子加速器中毛细管的准直方法，其特征在于所述的小孔光阑(1)置于由光学调整架、底座和电控平移台组成的调节机构上，具有左右平移、上下平移、可调俯仰角和左右偏转角调节。

5.根据权利要求2所述的激光电子加速器中毛细管的准直方法，其特征在于所述的反射镜(3)置于由光学调整架、底座和电控平移台组成的调节机构上，具有左右平移、上下平移、可调俯仰角和左右偏转角调节。

6.根据权利要求2所述的激光电子加速器中毛细管的准直方法，其特征在于所述的毛细管(2)固定在五维调整架上，该五维调整架具有前后、左右、上下、俯仰角和左右偏转角的调节。