CN105742943A - 一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源，包括：激光源、脉冲堆积光路、反射镜、光阴极多腔微波电子枪、螺线管线圈及波荡器；其中：激光源出射的激光脉冲通过脉冲堆积光路经过n次堆积后产生由2ⁿ个激光脉冲组成的激光脉冲串；该激光脉冲串经反射镜照射在光阴极多腔微波电子枪的阴极表面，通过光电效应在阴极表面发射出电子束团串，通过光阴极多腔微波电子枪腔室内微波功率源产生的微波场对电子束团串进行加速，并利用螺线管线圈的磁场进行横向聚焦后，进入波荡器从而激发出THz波段的相干电磁辐射。本发明公开的方案具有结构紧凑、技术上容易实现、频率连续可调、窄带宽的特点。

Description

一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源

技术领域

本发明涉及电子加速器、自由电子激光领域，尤其涉及一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-30THz之间的电磁波，由于现有光源尚未完全覆盖该频段、故该波段被称为THz间隙(gap)。因其在生命科学，材料科学，通信技术以及国家安全等多个领域具有广阔的应用前景受到国内外科学家的普遍关注。THz源是发展太赫兹科学的基础，也是相关学科发展的主要瓶颈。

基于自由电子激光(FEL)波荡器辐射的THz辐射源主要包括：超短电子束团的超辐射以及利用外种子激光调制电子束产生THz频率上的聚束。超短电子束团的超辐射又可以分为单个超短束团和超短束团串两种情况，单个超短电子束团的超辐射相对简单易行，而超短束团串的超辐射则可以大幅减小其辐射带宽，并提高其光谱亮度。利用外种子激光调制电子束的关键问题是缺乏直接可用的THz波段种子激光，需要通过两级以上调制以产生THz频率上的聚束，因此所需设备较多，装置较为庞大，且波长调谐也较为复杂。

基于超短束团串的超辐射是近几年较为热点的研究内容，但其辐射频率调节范围均为电子束群聚频率的基波范围。

因此，发展低成本、紧凑、技术上容易实现、高峰值功率和脉冲能量、频率可调的窄带宽THz辐射源对太赫兹科学技术的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源，具有结构紧凑、技术上容易实现、频率连续可调、窄带宽的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源，包括：激光源、脉冲堆积光路、反射镜、光阴极多腔微波电子枪、螺线管线圈及波荡器；其中：

激光源出射的激光脉冲通过脉冲堆积光路经过n次堆积后产生由2ⁿ个激光脉冲组成的激光脉冲串；

该激光脉冲串经反射镜照射在光阴极多腔微波电子枪的阴极表面，通过光电效应在阴极表面发射出电子束团串，通过光阴极多腔微波电子枪腔室内微波功率源产生的微波场对电子束团串进行加速，并利用螺线管线圈的磁场进行横向聚焦后，得到一串间隔近似相等的且长度小于预设值的束团，这一束团串在基波及其初始的多个高次谐波上都有高于预定值的群聚，进入波荡器从而激发出THz波段的相干电磁辐射；

通过调节波荡器磁场大小，使其共振波长依次与电子束团串重复频率的基波、二次谐波、三次谐波以及三次以上谐波相等，从而数倍扩大THz波段的相干电磁辐射的波长范围。

进一步的，所述光阴极多腔微波电子枪与一真空管道连接，该真空管道的四周设有螺线管线圈且该真空管道处于螺线管线圈中心位置，所述反射镜置于真空管道中；

激光脉冲串通过真空管道上的窗口入射至反射镜表面，并被反射至光阴极多腔微波电子枪的阴极表面；光阴极多腔微波电子枪出口射出的电子束团串经由真空管道后，从波荡器的磁极间隙间通过，从而激发出THz波段的相干电磁辐射。

进一步的，所述激光源出射的激光脉冲通过脉冲堆积光路经过n次堆积后产生由2ⁿ个激光脉冲组成的激光脉冲串包括：

激光源出射偏振方向为水平或垂直的激光脉冲经过波片后偏振角度旋转45度，再经过偏振分光棱镜分成幅度相同的偏振方向分别为水平、垂直的两个微脉冲，之后再通过一个偏振分光棱镜将两个微脉冲组合在一起，两个脉冲之间的间隔通过光学延迟线控制，此为一组堆积光路的处理过程；

之后，再通过n-1组堆积光路处理，形成由2ⁿ个微脉冲组成的激光脉冲串。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用微脉冲之间的间隔可调、电子能量可调的相对论电子束团串作为激发源，以强度可调的波荡器磁场作为激发介质来大幅提高电子与辐射间的能量转化效率，产生频率连续可调、窄带宽、高峰值功率、紧凑型的THz辐射。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的脉冲堆积光路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的模拟得到的电子束微脉冲间隔Δt分别为0.5皮秒、1皮秒、2皮秒时波荡器入口处的电子束团串纵向和横向相空间曲线图；

图4为本发明实施例提供的模拟得到的电子束微脉冲间隔分别为0.5皮秒、1皮秒、2皮秒时波荡器入口处的电子束群聚频率分布曲线图；

图5为本发明实施例提供的模拟得到的电子束微脉冲间隔为1ps，辐射频率分别为电子束微脉冲重复频率的基波、二次谐波和三次谐波时的波荡器出口处的辐射脉冲时间结构和频谱曲线图；

图6为本发明实施例提供的模拟得到的0.5-5THz范围内辐射脉冲峰值功率和脉冲能量曲线图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种结构紧凑、技术上容易实现、频率连续可调、窄带宽、高峰值功率和脉冲能量的THz辐射源的方案。其采用微脉冲之间的间隔可调、电子能量可调的相对论电子束团串作为激发源，以强度可调的波荡器磁场作为激发介质来大幅提高电子与辐射间的能量转化效率，产生频率连续可调、窄带宽、高峰值功率、紧凑型的THz辐射。

本发明实施例提供一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源，主要包括：激光源、脉冲堆积光路、反射镜、光阴极多腔微波电子枪、螺线管线圈及波荡器；其中：

激光源出射的激光脉冲通过脉冲堆积光路经过n次堆积后产生由2ⁿ个激光脉冲组成的激光脉冲串；

该激光脉冲串经反射镜照射在光阴极多腔微波电子枪的阴极表面，通过光电效应在阴极表面发射出电子束团串，通过光阴极多腔微波电子枪腔室内微波功率源产生的微波场对电子束团串进行加速，并利用螺线管线圈的磁场进行横向聚焦后，得到一串间隔近似相等的极短束团(长度小于预设值)，这一束团串在基波及其初始的多个高次谐波上都有相当高(高于预定值)的群聚，进入波荡器后激发出THz波段的相干电磁辐射；其中的预设值与预定值的具体大小可根据需求来设定；

由于束团串的间隔受到限制，太小空间电荷效应会破坏其纵向结构，降低群聚因子；太大则因占据微波相位太宽导致电子束团间能散过大。因此，电子束团串重复频率的基波范围较窄。通过调节波荡器磁场大小，使其共振波长依次与电子束团串重复频率的基波、二次谐波、三次谐波以及三次以上谐波相等，从而数倍扩大THz波段的相干电磁辐射的波长范围。

本发明实施例中，所述光阴极多腔微波电子枪与一真空管道连接，该真空管道的四周设有螺线管线圈且该真空管道处于螺线管线圈中心位置，所述反射镜置于真空管道中；

激光脉冲串通过真空管道上的窗口入射至反射镜表面，并被反射至光阴极多腔微波电子枪的阴极表面；光阴极多腔微波电子枪出口射出的电子束团串经由真空管道后，从波荡器的磁极间隙间通过，从而激发出THz波段的相干电磁辐射。

自由电子激光波荡器辐射的频率由其共振条件决定，通过调节电子能量和波荡器磁场强度均可实现辐射频率的调节；为了使得电子束团串中所有微脉冲产生的辐射实现相干增强，可通过调节电子束团串的重复频率使其与辐射频率共振来实现(调节电子束团串的重复频率将通过调节激光脉冲串的重复频率实现，激光脉冲间的间隔可由电机控制的光学延迟线进行调节；由于脉冲串良好的周期性结构，其在基波及初始的几次谐波上均有很高的群聚，辐射频率可以是电子束团串群聚的基波或者初始几次谐波)。

本发明实施例中，所述激光源出射的激光脉冲通过脉冲堆积光路经过n次堆积后产生由2ⁿ个激光脉冲组成的激光脉冲串包括：

激光源出射偏振方向为水平或垂直的激光脉冲经过波片后偏振角度旋转45度，再经过偏振分光棱镜分成幅度相同的偏振方向分别为水平、垂直的两个微脉冲，之后再通过一个偏振分光棱镜将两个微脉冲组合在一起，两个脉冲之间的间隔通过光学延迟线控制，此为一组堆积光路的处理过程；

之后，再通过n-1组堆积光路处理，形成由2ⁿ个微脉冲组成的激光脉冲串。

本发明实施例的方案主要具有如下优点：

1、辐射频率大范围连续可调:在自由电子激光中，通过改变电子能量和波荡器磁场强度一般可得到辐射频率的大范围调谐；但为了电子束团串辐射能够相干增强，电子束团串的重复频率须与辐射频率一致，而电子束团串的重复频率有限制(重复频率太高，空间电荷效应显著，束团串结构易被破坏；重复频率太低，同样电子微脉冲个数，束团串长度就会太长，由于所占微脉冲相位过宽，则会引起微脉冲间能散过大)；本发明提出通过调节电子能量和波荡器磁场强度，使辐射频率共振在电子束团串重复频率的高次谐波上，可以数倍增大辐射频率的调谐范围。

2、窄带宽：由于辐射频率与电子束团串重复频率的基波或高次谐波一致，使电子束团串微脉冲间的辐射相干加强，其辐射带宽近似等于电子束团串微脉冲个数的倒数。

3、高峰值功率和脉冲能量：设定电子束团串的重复频率与辐射频率共振可大幅提高电子与辐射之间能量的转换效率。

4、结构紧凑：采用多腔微波电子枪对电子进行加速，整个装置为桌面尺寸。

为了便于理解，下面结合具体示例做进一步说明。

本示例中，采用了如图1所示的结构，图1中各个附图标记为：1-光阴极多腔微波电子枪，2-微波功率源，3-螺线管线圈，4-反射镜，5-激光脉冲串，6-波荡器。

本示例中，通过如图2所示的脉冲堆积光路产生激光脉冲串；具体为：水平或垂直偏振光通过波片将偏振角度旋转45度，通过偏振分光棱镜将其分成幅度相同的偏振方向分别为水平、垂直的两个脉冲，而后再通过一个偏振分光棱镜将其组合在一起，两个微脉冲之间的间隔通过光学延迟线控制，这为一组堆积光路。通过n组堆积光路后，可形成由2ⁿ个微脉冲组成的激光脉冲串，微脉冲之间的间隔由n个电机控制的光学延迟线实现连续调节。附图2中仅示例性的使用了3组堆积光路，单个脉冲通过该光路后变为8个，在实际应用中，堆积光路的具体数量可根据需求来确定。

另外，附图2中的偏振分光棱镜也可改为分光镜，或者使用光学拍频的方法等来产生激光脉冲串。脉冲串通过反射镜照射光阴极多腔微波电子枪的阴极表面后，通过光电效应产生电子束团串，通过电子枪腔室内微波功率源产生的微波场对电子束团串进行加速，紧接着利用螺线管线圈磁场进行横向聚焦，以保证电子束团串的横向尺寸有利于其在波荡器中的辐射增益。为了得到某个特定频率f的THz辐射，可通过设定光阴极多腔微波电子枪内微波功率源的馈入衰减、波荡器的磁场强度，并根据相应的频率设定电子束间的时间间隔为来实现。

本示例中，当选用3.5腔的光阴极多腔微波电子枪，微波频率为2856MHz，峰值电场梯度120MV/m时，电子能量最高可达14MeV。当电子能量为12MeV，微脉冲电荷量为40×10-12库伦、微脉冲个数16个时，附图3给出了模拟得到的电子束微脉冲间隔Δt分别为0.5皮秒(重复频率2THz)、1皮秒(重复频率1THz)、2皮秒(重复频率0.5THz)时波荡器入口处的纵向(上面的三幅图)和横向(下面的三幅图)相空间，附图4则给出了模拟得到的附图3对应的电子束群聚频率的分布。经过周期为54毫米，周期数为24个的波荡器后，附图5还给出了模拟得到的电子束微脉冲间隔为Δt1皮秒，辐射频率分别为电子束微脉冲重复频率的基波、二次谐波和三次谐波时的波荡器出口处的辐射脉冲时间结构(上面的三幅图)和频谱(下面的三幅图)。其辐射峰值功率分别为7.5兆瓦、6.5兆瓦、2兆瓦，脉冲能量分别达到133微焦、70微焦、15微焦，其频谱宽度基本保持在6％左右。当电子束微脉冲间隔Δt由0.5皮秒变化至2皮秒时，利用辐射频率分别为电子束微脉冲重复频率的基波、二次谐波和三次谐波，附图6给出了模拟得到的0.5-5THz范围内辐射脉冲峰值功率(1-20兆瓦)(参见左侧幅图)和脉冲能量(10-200微焦)(参见右侧幅图)。

此外，需要说明的是：为了方便模拟，上述示例中使用的微脉冲束团个数为16个；实际中可使用8个或32个微脉冲，减小微脉冲个数，有利于增大最大间隙，将辐射频率向更小方向拓展，增大微脉冲个数，可以增大电子束团总电荷量，增强辐射功率，同时有利于进一步较小辐射带宽。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源，其特征在于，包括：激光源、脉冲堆积光路、反射镜、光阴极多腔微波电子枪、螺线管线圈及波荡器；其中：

激光源出射的激光脉冲通过脉冲堆积光路经过n次堆积后产生由2ⁿ个激光脉冲组成的激光脉冲串；

该激光脉冲串经反射镜照射在光阴极多腔微波电子枪的阴极表面，通过光电效应在阴极表面发射出电子束团串，通过光阴极多腔微波电子枪腔室内微波功率源产生的微波场对电子束团串进行加速，并利用螺线管线圈的磁场进行横向聚焦后，得到一串间隔近似相等的且长度小于预设值的束团，这一束团串在基波及其初始的多个高次谐波上都有高于预定值的群聚，进入波荡器从而激发出THz波段的相干电磁辐射；

通过调节波荡器磁场大小，使其共振波长依次与电子束团串重复频率的基波、二次谐波、三次谐波以及三次以上谐波相等，从而数倍扩大THz波段的相干电磁辐射的波长范围。

2.根据权利要求1所述的基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源，其特征在于，

所述光阴极多腔微波电子枪与一真空管道连接，该真空管道的四周设有螺线管线圈且该真空管道处于螺线管线圈中心位置，所述反射镜置于真空管道中；

激光脉冲串通过真空管道上的窗口入射至反射镜表面，并被反射至光阴极多腔微波电子枪的阴极表面；光阴极多腔微波电子枪出口射出的电子束团串经由真空管道后，从波荡器的磁极间隙间通过，从而激发出THz波段的相干电磁辐射。

3.根据权利要求1所述的基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源，其特征在于，所述激光源出射的激光脉冲通过脉冲堆积光路经过n次堆积后产生由2ⁿ个激光脉冲组成的激光脉冲串包括：

激光源出射偏振方向为水平或垂直的激光脉冲经过波片后偏振角度旋转45度，再经过偏振分光棱镜分成幅度相同的偏振方向分别为水平、垂直的两个微脉冲，之后再通过一个偏振分光棱镜将两个微脉冲组合在一起，两个脉冲之间的间隔通过光学延迟线控制，此为一组堆积光路的处理过程；

之后，再通过n-1组堆积光路处理，形成由2ⁿ个微脉冲组成的激光脉冲串。