CN102460859A - 产生自由电子的方法和利用与激光变换器的相互作用的自由电子激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自由电子激光系统，包括生成能够在第一传播方向(Oz)上传播的相对论性电子(21)的包(20)的装置(2)，和生成能够与相对论性电子(21)的包(20)进行相互作用的变换器光束(30)的装置(3，3′)。在该系统中，变换器光束(30)在被包(20)的传播方向(Oz)贯穿的相互作用区域(4)由在不同方向上传播的且每个都在与所述包(20)的所述传播方向(Oz)正交的平面内具有至少一个非零分量的至少两条激光束(31，32)结合产生。本发明还涉及包括俘获和引导被注入相互作用区域(4)的相对论性电子(21)的包(20)而生成自由电子激光束并实现这样的自由电子激光系统的方法。

Description

产生自由电子的方法和利用与激光变换器的相互作用的自由电子激光系统
本发明涉及自由电子激光系统和通过与激光变换器相互作用生成自由电子激光束的方法。
技术领域
本发明涉及能够提供在从远紫外线到伽马射线的光谱范围内的波长非常短的波辐射的自由电子激光束生成领域。
更具体地，本发明涉及自由电子激光系统，包括生成能够在传播方向上传播的相对论性电子包的装置，和生成能够与相对论性电子包进行相互作用的变换器激光束的装置。
本发明还涉及生成自由电子激光束的方法，包括生成能够在传播方向上传播的相对论性电子包的步骤，和生成能够与相对论性电子的包进行相互作用的变化器激光束的步骤。
背景技术
在该领域，在先技术包括不同类型的X射线激光器，其中目前应用最多的是等离子体介质X射线激光器，美国专利文献6,693,989中描述了等离子体介质X射线激光器的实例。用于生成X射线光谱区内射线的系统包括激光脉冲和气态原子包生成器。为了检索选定的原子电子而不检索所有的电子，激光脉冲被定向在原子包中以产生原子激发。从而，产生粒子数反转，在X射线光谱域内建立了非线性、限制模式的辐射传播区。在这个因此建立的传播区内控制气态原子包的密度，以确保X射线传播不会停止。
在该文献中所描述的发明使得获取2.9埃波长的光子束成为可能。然而，所描述的该系统展现出以下主要缺点：
-光子能量固定，
-光子束在散度上、在光子数上以及在脉冲持续时间上都不能被控制，
-时钟同步不能被控制，
-需要使用在248纳米波长下运行的氙氟化物气体励磁机激光器，该激光器很难在专用研究室外使用。
更一般地来说，这种激光系统的缺点是：除了XUV射线区，换句话说，远紫外线X射线区之外，不能达到X射线光谱区。
因此，本领域的一个主要问题是生成激光束，其中光子可具有高于X射线区内的典型阈值，例如500伏，也就是，波长小于2纳米的能量。
本领域的另外一个主要问题是X射线束的时钟同步，最好的情况下，一般也只能限制在几百飞秒内。
为了解决上面提到的问题，已经提出了基于与变换器类型结构耦合的电子加速器的使用在康普顿状态下实现能够引起电子横向波动的自由电子激光器。[C.Pellegrini，“Design considerations for SASE X-ray FEL”，NuclInst Meth.a Meth.A 475(2001)1-12]。
根据X射线自由电子激光器的第一个替代方案，加速器使得电子能量达到10GeV，变换器是一个磁变换器。
然而该替代方案并没有使获得高X光子能量，理想地，明显地高于10keV，同时在很大程度上减少了费用和体积成为可能。
根据X射线自由电子激光器的第二个替代方案，电子加速器使得相对论性电子的能量达到大约10和100MeV，变换器是在与相对论性电子包的传播方向相反的方向上传播的激光器。
该替代方案具有几个主要缺点。第一个是它需要极其低(实际上低于1％)的包电子的“δ-γ/γ”能量分散。第二个是它造成非常低标准化的电子包发射量(实际上低于1mm.mrad)。另外一个困难是在相互作用区域内实现一个严格的恒量激光照度(典型相对照度变量实际上低于1％)，缺乏能够很好地控制此区域中激光照度分布的简单可能性。
另外一个产生高通量X射线束的技术方案[Z.Huang and R.D.Ruth“Laser-electron strorage ring”Physical Review Letters，80(5)：976-9，February 1998]使用一个装置，包括用于储存相对论性电子的环，或者一个或两个能量回收线性加速器的组，以高精细度法布里-珀罗共振器的形式与主动或被动激光器腔耦合。这种紧密光源装置也可称为法布里-珀罗同步加速器。
但是，该解决方案有主要的缺点。第一个是X辐射很难调谐，即很难改变X光子的能量。第二个缺点是由于在光束的可能自由传播引起的空间相干性以外这个源没有自己的本征空间和时间相干性引起的。另外一个缺点是获得的X脉冲的持续时间，典型的大约在1到10皮秒。
因此，现有技术解决方案中一个也没有能够提供在远紫外线域内的激光束或可调谐的X射线、具有低脉冲持续时间(例如，大约5到100飞秒)、花费和体积合理的可能。此外，没有现有技术已知解决方案使得提供硬X射线领域(高于或远远高于10keV)或伽马射线(远远高于100keV)的激光束成为可能。
发明内容
本发明的目的是通过允许产生在远紫外线、X射线、伽马射线的光谱范围内的光子束，基于相对论性电子包和经特定叠加的激光变换器光束之间的特定相互作用，克服上述现有技术的缺点和不足。
为此，本发明的目标是一种自由电子激光系统，例如前面描述的，其中，在被相对论性电子包传播方向横贯的相互作用区域，在彼此相同的方向上传播的且每个方向在与这个包传播方向的正交平面上具有至少一个非零分量的至少两个激光束叠加产生变换器光束。
激光束相互干涉以产生周期性光电势，其最小值与电子传播方向平行。
此解决方案依赖于激光变换型变换器的使用，其中变换器由至少两个激光束叠加而成。这些光束的偏振向量使得形成干涉条纹成为可能，以致通过激光照度施加于相对性电子上的高能电势(称为有质动力电势)在与相对论性电子传播方向正交的至少一个方向上呈现振荡。
在这些情况下，在强电场中，根据“Kapitza-Dirac”效应，相对论性电子可在至少一个横向上被有质动力电势俘获。
此外，当激光偏振包括在与电子运行方向正交的方向上的非零常用分量时，则通过下述在电子传播方向上形成一个短波辐射光束：
-激光光子通过多普勒-斐索效应以高光谱移动对相对论性电子的散射(diffusion)，以及
-通过受激拉曼效应被散射的第一个光子的放大。
根据本发明的一个特定实施方式，光束变换器由两个激光束叠加产生。
在该最后一个实例中，为了在系统的输出端优化自由电子激光束，有利的是，提供两条激光束以使它们沿着相反的方向传播，此外，这两条激光束在与包传播方向垂直的方向上传播。
优选地，包生成装置与变换器光束生成装置同步。
优选地，变换器光束生成装置包含激光源，其原始光束被切割以形成该激光束。
根据本系统的可选实施方式：
-至少两个激光束的波长位于近红外区(800nm到1.05μm)，
-至少两个激光束的波长位于中(mean)红外区(1.1μm到10μm)。
根据可选实施方式，相对论性电子包生成装置可包括：
-LINAC RF(“radio frequency linear accelerator”的首字母缩略词)，
-或者等离子体尾波激光加速器，
-或者电子储存环。
根据特定实施方式，激光束以符合空间和时间图案化(patterning，模型)的不均匀波几何的方式传播，使得每个激光束的最大能量轨迹相对于相互作用区域的相前呈角度位移。
优选地，激光束被限制在光学谐振腔内。
根据可选实施方式，系统包括：
-相前控制装置，和/或者
-光谱相位控制装置。
本发明还涉及生成自由电子激光束的方法。该方法包括生成能够在传播方向上传播的相对论性电子包的步骤，和生成能够与相对论性电子包进行相互作用的变换器激光束的步骤。它还包括：在被上述包的传播方向横贯的相互作用区域，由在彼此不同的方向上传播的且这两个激光束中的每个都在与上述包的传播方向正交的平面内具有至少一个非零分量的至少两个激光束干涉产生变换器光束的在先步骤、通过在相互作用区域的输入中注入，在变换器光束的干涉条纹里俘获相对论性电子的步骤，以及在变换器内放大由作用于相对论性电子的激光的散射生成的光束(5)的步骤。
附图说明
阅读非限制性实施方式的详细描述后可以更好地理解本发明，附图分别表示：
图1为根据本发明第一实施方式的自由电子激光系统的图示，
图2为示出叠加激光束以生成激光变换器的不同可选方案的图示，以及
图3为示出了将激光束切割为在相互作用区域叠加的两条激光束的实例的图示。
具体实施方式
参照图1，根据本发明第一个实施方式的自由电子激光系统，包括相对论性电子21的包20的生成器2，以及与电子同步的强激光器3′，3″。
生成器2使得生成具有典型地在10MeV和50MeV之间的能量的包20成为可能。根据需要例如将生成器2耦合至在中红外区的或达到非常硬性X射线的光谱范围的激光器的可选方案，更高的能量也是可能的。
按照该能量，可以理解电子束以通常高于2的洛伦兹因子γ达到相对论性速度。
根据所选择的可选实施方式，该生成器2可为LINAC RF生成器或储存环，或为等离子体尾波激光加速器。
包20沿着传播轴进行传播，在图1中传播轴由Oz坐标轴表示。其有利地呈现了最低可能的能量色散和标准发射率。在生成器2为LINAC RF或储存环的实施方式的情况下，包20由适合的电子聚焦而成形。
根据本发明的优选实施方式，激光器3′、3″产生原始激光束，该原始激光束被分割成两个相同部分31和32，该两个相同部分31和32在与包20的传播轴Oz相垂直的Oy轴上以相反方向传播。引导该对光束31和32的装置被配置为在相对论性电子21的路径上，也就是在电子包20的传播轴Oz上，叠加所述光束。
两条光束31和32的共偏振沿着分别垂直于这两条光束31和32传播轴Oy和电子包的传播轴Oz的轴Ox形成。这两条光束间的干涉形成变换器(inverter)30。通过变换器中光子的相干散射导致短波(例如，一纳米)激光束5生成。在平面(Oy，Oz)外具有非零分量的偏振有利地容许光子散射(diffusion)。
以与上文的优选实施方式等效的方式，两条光束31和32的传播装置被设置为允许所述光束根据图1中不平行于Oy轴但是通常垂直于电子包传播轴(Oz)的轴传播，应理解，为了更好地理解本发明，图1中轴Ox、Oy和Oz只表示为空间参考名称。因此，两条反向传播光束的传播轴可能是属于平面xOy内与包传播轴(Oz)正交的任意轴。
根据其他可选实施方式，这两条光束每个在xOy平面内具有与电子移动方向Oz正交的至少一个非零分量，然而无需这对光束沿着与电子传播轴垂直的轴移动。
根据其他可选实施方式，两条光束不相对于彼此反向传播，而是它们各自的传播方向有一个非零的倾斜。
现在参照图2A和2B描述叠加激光束以生成激光变换器的不同的可选实施方式。
在图2A所示的可选实施方式中，四个光束33、34、35和36在同一个区域4中沿着Oz轴在包电子20的路径上相互作用。光束33和35，以及光束34和36，分别在轴Ox和Oy上反向传播。
在如图2B所示的可选实施方式中，两条光束37和38在区域4相互作用。这些光束没有沿着同一条轴的相反方向传播，它们各自的方向相对于彼此呈非零夹角。它们的传播方向不与电子的传播方向(Oz)垂直，但是相对于(Oz)呈同一个夹角。
根据在前的附图，上述可选实施方式的若干个组合是可行的。本领域技术人员通过这些不同的可选实施方式可以理解，本发明可以基于激光束的数目高于2并且沿着与电子传播方向(Oz)不平行的方向传播来实现。
因此，如果激光束与电子传播方向之间形成α的夹角，那么严格来说，α在arcsin(1/γ)和π之间，更具体地，接近π/2。
物理上，所描述的设备基于与受双激光场控制的电子振荡有关的电磁发射以光频率运行。在实验室中此辐射出现以洛仑兹因子平方的2倍(2γ2)变化的重要的多普勒频移，使其有可能达到X射线区。通过以光频和阱底振荡频率的混合频率横向聚集使辐射相干。换句话说，利用外部高频激励、光频和低频振荡、阱底振荡频率之间的结合，在系统本征模型上实现了“拉曼”型现象。
在如图3所示的可选方案中，激光束首先经受设备A的光谱图案化，设备A位于激光链中任意的合适位置；然后经受设备B的光谱角色散，以创造所谓的“不均匀”波；然后被分离器片(separator blade)LS分割成两条相同的光束。然后，两条光束的每一条在图中平面上通过成像设备C、C′和空间图案形成设备D、D′，然后在垂直于图的平面上通过聚焦设备E、E′。其中一条光束具有受设备F控制的时间延迟。两个激光束在相互作用区域I中结合，在相互作用区域I中它们共同与来自加速器设备G的电子包相互作用，加速器设备G自身被设备H触发用来与激光同步。
根据本发明生成自由电子激光束的方法包括：
-生成能够在传播方向Oz上进行传播的相对论性电子21的包20的步骤，
-在被包20的传播方向Oz横贯的相互作用区域4，对在彼此不同的且与包20的传播方向Oz不同的方向上传播的至少两条激光束31和32进行叠加以生成能够与相对论性电子21的包20相互作用的变换器光束30的步骤。
-通过在相互作用区域4的输入中注入，在变换器光束30的干涉条纹里俘获相对论性电子的步骤，以及
-在变换器30中放大由作用于相对论性光子的激光31-32的散射产生的光束5的步骤。
在本发明中描述的上述实施方式通过非限制性实例给出。可以理解，技术人员可能不背离本发明的范围实现本发明的不同可选实施方式。

Claims (15)

1.一种自由电子激光系统(1)，包括生成能够在传播方向(Oz)上传播的相对论性电子(21)的包(20)的装置(2)，和生成能够与所述相对论性电子(21)的所述包(20)相互作用的变换器光束(30)的装置(3，3″)，其特征在于，所述变换器光束(30)在被所述包(20)的传播方向(Oz)贯穿的相互作用区域(4)由在彼此不同的方向上传播的且每个都在与所述包(20)的所述传播方向(Oz)正交的平面内具有至少一个非零分量的至少两条激光束(31，32)干涉产生。
2.根据权利要求1所述的激光系统(1)，其中，所述变换器光束(30)由两条激光束(31，32)叠加产生。
3.根据权利要求2所述的激光系统(1)，其中，所述两条激光束(31，32)在相反的方向上传播。
4.根据权利要求2或3所述的激光系统(1)，其中，所述两条激光束(31，32)在与所述包(20)的所述传播方向(Oz)垂直的方向上传播。
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统(1)，其中，生成所述包(20)的装置(2)与生成所述变换器光束(30)的装置(3′，3″)同步。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统(1)，其中，生成所述变换器光束(30)的装置(3′，3″)包括激光源，所述激光源的原始光束被分割以形成至少两条激光束(31，32)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光系统(1)，其中，至少两条激光束(31，32)的波长位于近红外区。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的激光系统(1)，其中，至少两条激光束(31，32)的波长位于中红外区。
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统(1)，其中，所述至少两条激光束(31，32)根据与空间和时间图案化对应的不均匀波几何进行传播，使得每个激光束(31，32)的最大能量轨迹相对于相互作用区域(4)的相前呈现角度位移。
10.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统(1)，其中，至少一第三光束使得在贯穿轴(Oz)的平面和整个相互作用区域(4)中俘获相对论性电子成为可能。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的激光系统(1)，其中，对激光束进行空间图案化的至少一个设备，使得在贯穿轴(Oz)的平面和整个相互作用区域(4)中俘获相对论性电子成为可能。
12.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统(1)，其中，所述激光束(31，32)被限制在光共振空腔内。
13.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统(1)，包括相前控制装置。
14.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统(1)，包括光谱相位控制装置。
15.一种用来生成自由电子激光束(5)的方法，包括：生成能够沿传播方向(Oz)传播的相对论性电子的包(20)的步骤、生成能够与所述相对论性电子(21)的所述包(20)进行相互作用的变换器激光束(30)的步骤，其特征在于，其包括：在被所述包(20)的传播方向(Oz)横贯的相互作用区域(4)，由在彼此不同的方向上传播的且每个都在与所述包(20)的传播方向(Oz)正交的平面内具有至少一个非零分量的至少两个激光束(31，32)干涉产生变换器光束(30)的在先步骤；通过在所述相互作用区域(4)的输入中注入，在所述变换器光束(30)的干涉条纹里俘获相对论性电子的步骤；以及在所述变换器(30)内放大由作用于相对论性电子的激光的散射生成的光束(5)的步骤。
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