CN108418088B - 一种用于自由电子激光器的可切换反射镜的光学谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自由电子激光器的可切换反射镜的光学谐振腔，包括大理石底座、真空腔体、多个反射镜及镜托、镜台卡槽、六维精密调整平台、反射镜的镜库及其运动机构、抓镜机械手及其运动机构；真空腔体连接所述大理石底座并置于其上，多个反射镜及镜托、镜库、抓镜机械手、六维精密调整平台均处于所述真空腔体内，六维精密调整平台竖直放置并与所述真空腔体的底板连接。可实现多个反射镜在线快速切换，且每个反射镜切换到工作位置后均可实现五维独立精密调节。由于单个反射镜的曲率、耦合输出孔大小均已固定，仅能覆盖较小范围的振荡器自由电子激光输出。可应用于红外、太赫兹科学技术领域、如太赫兹成像、能源化学研究等。

Description

一种用于自由电子激光器的可切换反射镜的光学谐振腔

技术领域

本发明涉及一种自由电子激光技术、高真空技术及精密机械技术，尤其涉及一种用于自由电子激光器的可切换反射镜的光学谐振腔。

背景技术

自由电子激光这一新型光源自上世纪70年代诞生以来，以其波长连续可调、时间结构优异、光束品质好等突出优点受到科学界的广泛关注。尤其近十几年来，随着电子加速器及其他相关技术的飞速发展，自由电子激光也获得了快速发展，在生命科学、材料科学、能源科学以及信息科学等许多重要领域的研究中发挥着越来越重要的作用。通过采用不同的工作模式，自由电子激光可以覆盖自太赫兹至硬X射线的频谱范围。

振荡器型自由电子激光主要用于产生太赫兹和红外波段的激光，当前国际上运行的红外波段自由电子激光装置绝大部分也都采用振荡器模式。其辐射产生于电子束经过短波荡器时的自发辐射，通过利用光学谐振腔使光场在其内多次反射，并不断与后续电子束产生的光场重叠、累积放大直至饱和，具有辐射纵向完全相干、平均亮度很高等突出优点。

光学谐振腔是振荡器型自由电子激光的核心部件，直接影响自由电子激光的起振、放大、耦合输出以及出光品质。原理上，如图1所示，光学谐振腔主要由高真空内两块相互对心的高反射率聚焦反射镜构成。由该两块反射镜确定的中心轴线须与电子束运动轨迹及波荡器的磁场中心重合。因此，整个光学谐振腔须有高稳定性机械结构，且反射镜必须可以进行多维高精度调整。此外，由于单套反射镜的曲率、耦合孔大小固定，仅能在较窄波长范围内实现自由电子激光优化输出。因此，为实现大范围波长调谐，必须要切换不同参数的反射镜。

目前，国内外的振荡器型自由电子激光装置中，有一部分的光学谐振腔具有反射镜切换能力。主要有两种，第一种，关闭自由电子激光装置后，进入辐射现场手动更换，如法国CLIO装置，此种类型切换反射镜通常耗时较长，最短也要数个小时；第二种，将多块反射镜固定在一个刚性结构上，有多块反射镜竖直排列(竖直切换，如德国FHL装置)，有多块反射镜中心位于同一圆上排列(旋转切换，如荷兰FELIX装置)等，此种切换方式主要有两大缺点，一是整个固定反射镜的机构较重，不利于精密调节，二是多个反射镜之间的调节有耦合，且每个反射镜的各维调节之间也有耦合，无法实现各维独立调节，不利于寻找反射镜最优工作状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于自由电子激光器的可切换反射镜的光学谐振腔。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的用于自由电子激光器的可切换反射镜的光学谐振腔，包括大理石底座、真空腔体、多个反射镜及镜托、镜台卡槽、六维精密调整平台、反射镜的镜库及其运动机构、抓镜机械手及其运动机构；

每个所述反射镜均固定在镜托上，所述真空腔体连接所述大理石底座并置于其上，多个反射镜及镜托、镜库、抓镜机械手、六维精密调整平台均处于所述真空腔体内，所述六维精密调整平台竖直放置并与所述真空腔体的底板连接，所述镜台卡槽与所述六维精密调整平台连接并置于其上，工作的反射镜放置于镜台卡槽之内，二者相互契合，所述镜库与所述真空腔体连接并位于所述镜台卡槽上方，空闲的反射镜及镜托均放置在所述镜库的卡位内，所述镜库的运动机构与所述真空腔体及镜库连接并处于所述真空腔体外，所述抓镜机械手的运动机构与所述真空腔体连接并处于真空腔体外。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于自由电子激光器的可切换反射镜的光学谐振腔，可实现多个反射镜在线快速切换，且每个反射镜切换到工作位置后均可实现五维独立精密调节。由于单个反射镜的曲率、耦合输出孔大小均已固定，仅能覆盖较小范围的振荡器自由电子激光输出。可应用于红外、太赫兹科学技术领域、如太赫兹成像、能源化学研究等。

附图说明

图1为现有技术中用于振荡器型自由电子激光的光学谐振腔原理图。

图2为本发明实施例提供的用于自由电子激光器的可切换反射镜的光学谐振腔的结构示意图。

图3为本发明实施例中的反射镜镜托的结构示意图。

图4为本发明实施例中的镜台卡槽的结构示意图。

图中：

11.上游反射镜，12.下游反射镜，13.波荡器，14.电子束；

1.大理石底座，2.真空腔体，3.六维精密调整平台，4.进光口，5.镜台卡槽，6.镜库，7.抓镜机械手，8.抓镜机械手的运动机构，9.镜库的运动机构，10.出光口。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的用于自由电子激光器的可切换反射镜的光学谐振腔，其较佳的具体实施方式是：

包括大理石底座、真空腔体、多个反射镜及镜托、镜台卡槽、六维精密调整平台、反射镜的镜库及其运动机构、抓镜机械手及其运动机构；

每个所述反射镜均固定在镜托上，所述真空腔体连接所述大理石底座并置于其上，多个反射镜及镜托、镜库、抓镜机械手、六维精密调整平台均处于所述真空腔体内，所述六维精密调整平台竖直放置并与所述真空腔体的底板连接，所述镜台卡槽与所述六维精密调整平台连接并置于其上，工作的反射镜放置于镜台卡槽之内，二者相互契合，所述镜库与所述真空腔体连接并位于所述镜台卡槽上方，空闲的反射镜及镜托均放置在所述镜库的卡位内，所述镜库的运动机构与所述真空腔体及镜库连接并处于所述真空腔体外，所述抓镜机械手的运动机构与所述真空腔体连接并处于真空腔体外。

所述六维精密调整平台能实现六维且各维独立调节，通过控制六维精密调整平台的运动能实现工作反射镜的多维独立高精度调整。

所述反射镜的切换过程为：

抓镜机械手从反射镜正上方垂直向下运动，直到抓住工作反射镜的镜托，继而提升至一定高度；

镜库运动，使得镜库的空位对准抓镜机械手的竖直运动轴线；

抓镜机械手向下运动，直至将反射镜及镜托放入镜库空位，抓镜机械手向上运动至避开镜库运动的高度；

镜库运动，使待换入工作位置的反射镜处于抓镜机械手的正下方；

抓镜机械手向下运动，抓取待换入工作位置的反射镜及镜托，向上运动至避开镜库运动的高度；

镜库运动，使得抓镜机械手放镜至六维平台上的镜台上；

抓镜机械手向下运动，将待换入工作位置的反射镜及镜托放入六维平台上的镜台，再回升至初始高度，完成一次换镜。

本发明的用于自由电子激光器的可切换反射镜的光学谐振腔，可实现多个反射镜在线快速切换，且每个反射镜切换到工作位置后均可实现五维独立精密调节。由于单个反射镜的曲率、耦合输出孔大小均已固定，仅能覆盖较小范围的振荡器自由电子激光输出，本发明可为自由电子激光振荡器大范围波长调谐奠定技术基础，对振荡器型自由电子激光用户装置实现大范围波长调谐具有重要意义。

本发明的优点和积极效果有：

多个反射镜可快速切换:在振荡器型自由电子激光中，当波长调谐范围较大时，一套反射镜的曲率和耦合孔参数无法满足要求；本发明的一次反射镜切换时间为3分钟以内，为振荡器型自由电子激光实现波长的大范围、快速调谐奠定了重要基础；对于部分自由电子激光用户进行大范围频谱扫描意义重大。

高重复精度切换反射镜：每次切换到工作位置的反射镜均处于六维精密调整平台的零点位置，而六维精密调整平台的位置重复精度极高(～0.2微米)。因此，多次切换反射镜的重复精度即由镜台和镜托的间隙决定，通过选用适当的材料，现有的加工技术可以保证该重复精度达到10微米量级。

工作反射镜可五维独立精密调整：切换到工作位置的反射镜可以单独进行五维精密调整，通过六维精密调整平台的各向运动扫描和自动优化，可以很快找出工作反射镜的最佳工作位置和姿态。商业化的六维平台的位置精度可达亚微米，转动精度可达5微弧度，且各向平动和转动均可独立扫描。

具体实施例：

如图2、图3、图4所示，在将本发明的光学谐振腔安装到自由电子激光器时，需要对上下游谐振腔内的工作位置反射镜的位置和姿态进行预准直，使得其对心误差在六维精密调整平台的行程范围内。一般地，预准直位置精度可达150微米以下，角度精度可达0.5毫弧度以下，而真空版六维精密调整平台的位置行程可达50毫米以上，转动角度行程可达50毫弧度以上。

当自由电子激光器工作时，仅有处于镜台卡槽内的反射镜处于工作状态，其余反射镜及镜托均放置于光路上方的镜库内。通过远程控制六维精密调整平台，可以实现对反射镜位置和姿态的五维精密调整，五维包括垂直光路方向水平位置(沿x轴运动)、竖直位置(沿y轴运动)、光路方向水平位置(沿z轴运动)、俯仰调节(绕x轴旋转)以及左右旋转调节(绕y轴旋转)。商业用六维平台可实现对上述五维的任意一维进行独立扫描和调节。特别说明地，俯仰调节时，六维平台自身的旋转中心与反射镜中心不重合，可以通过控制程序实现六维平台的运动为绕通过反射镜中心的x轴旋转。以上五维独立、精密调节即可以保证光学谐振腔上下游反射镜之间精确对心，使自由电子激光振荡器顺利工作。

对工作位置反射镜进行切换时，六维精密调整平台回位至零点状态，此时，平台竖直中心与抓镜机械手竖直运动轨迹重合；抓镜机械手从反射镜正上方竖直向下运动，抓镜机械手采用电磁铁，同时在镜托上表面镶有易磁化的铁块，当机械手运动至镜托上方很近时(约2-4毫米)，电磁铁通电，吸取工作反射镜的镜托，继而提升抓镜机械手和反射镜及镜托至初始高度；镜库运动，使得镜库的空闲卡位对准抓镜机械手的竖直运动轨迹；抓镜机械手向下运动，直至将吸取状态的反射镜及镜托放入镜库空位，电磁铁断电，抓镜机械手向上运动至初始高度；镜库运动，使待换入工作位置的反射镜处于抓镜机械手的正下方；抓镜机械手向下运动，至待抓取反射镜镜托上方很近时(约2-4毫米)，电磁铁通电，吸取待抓取反射镜镜托，向上运动至初始高度；镜库运动至初始位置，使得抓镜机械手可以放镜至六维平台上的镜台卡槽上；抓镜机械手向下运动，将待换入工作位置的反射镜及镜托放入六维平台上的镜台卡槽内，电磁铁断电，再回升至初始高度，完成一次换镜。

以上一次换镜所有步骤在熟练人员操作下的执行时间约为2-3分钟。实际上，加装相应的位置监测和读取部件，如光栅尺、电阻尺等，并进行标定后，以上所有步骤均可通过控制程序进行集成，实现一键切换反射镜，一次换镜时间在1分钟以内。

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 (1)

1.一种用于自由电子激光器的可切换反射镜的光学谐振腔，其特征在于，包括大理石底座、真空腔体、多个反射镜及镜托、镜台卡槽、六维精密调整平台、反射镜的镜库及其运动机构、抓镜机械手及其运动机构；

每个所述反射镜均固定在镜托上，所述真空腔体连接所述大理石底座并置于其上，多个反射镜及镜托、镜库、抓镜机械手、六维精密调整平台均处于所述真空腔体内，所述六维精密调整平台竖直放置并与所述真空腔体的底板连接，所述镜台卡槽与所述六维精密调整平台连接并置于其上，工作的反射镜放置于镜台卡槽之内，二者相互契合，所述镜库与所述真空腔体连接并位于所述镜台卡槽上方，空闲的反射镜及镜托均放置在所述镜库的卡位内，所述镜库的运动机构与所述真空腔体及镜库连接并处于所述真空腔体外，所述抓镜机械手的运动机构与所述真空腔体连接并处于真空腔体外；

所述六维精密调整平台能实现六维且各维独立调节，通过控制六维精密调整平台的运动能实现工作反射镜的多维独立高精度调整；

所述反射镜的切换过程为：

抓镜机械手从反射镜正上方垂直向下运动，直到抓住工作反射镜的镜托，继而提升至一定高度；

镜库运动，使得镜库的空位对准抓镜机械手的竖直运动轴线；

抓镜机械手向下运动，直至将反射镜及镜托放入镜库空位，抓镜机械手向上运动至避开镜库运动的高度；

镜库运动，使待换入工作位置的反射镜处于抓镜机械手的正下方；

抓镜机械手向下运动，抓取待换入工作位置的反射镜及镜托，向上运动至避开镜库运动的高度；

镜库运动，使得抓镜机械手放镜至六维平台上的镜台上；

抓镜机械手向下运动，将待换入工作位置的反射镜及镜托放入六维平台上的镜台，再回升至初始高度，完成一次换镜。

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