CN112928589B - 用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔及激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔及激光器，光学谐振腔包括：上游反射镜、平面反射镜和下游反射镜呈三角形分布设置于真空室内；上游反射镜与平面反射镜之间的光路通过真空管道与光波导连接，光波导外侧设置波荡器；平面反射镜与下游反射镜之间的光路通过真空管道连接；下游反射镜与上游反射镜之间的光路通过真空管道连接；上游反射镜的中心部位设有中心耦合输出孔；上游反射镜与平面反射镜和下游反射镜之间构成三边环形光路的光学谐振腔。在不影响光谱间隙以外波长的耦合输出功率的情况下，本发明大大改善光谱间隙处耦合输出功率低的问题，从而提升了振荡器型自由电子激光器的整体性能。

Description

用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔及激光器

技术领域

本发明涉及自由电子激光领域，尤其涉及一种用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔及激光器。

背景技术

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器绝大部分也都采用振荡器工作模式。振荡器自由电子激光光源可提供波长连续可调、准单色、高峰值功率的超短激光脉冲，应用于凝聚态物理、物理化学和生物物理等科学研究(B.N.Murdin,Contemporary Physics,50,2(2009),O'Shea,P G,and H P Freund,Science 292,5523(2001))。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，具有平均亮度很高、辐射带宽窄等突出优点。

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，光学谐振腔主要由真空室内两块相互对心的高反射率聚焦反射镜构成(Neil G.R.,Particle Accelerator Conference.(2003))。储存在光学谐振腔内的光场在两面反射镜之间往返振荡，每一次经过波荡器时，电子束产生的辐射增益使光场不断放大。对于传统的上下游两面反射镜构成的光学谐振腔，反射镜的曲率半径和腔长一起决定这谐振腔内光场的稳态分布。一般地，光场在光学谐振腔内各处均呈横向高斯分布，因此，在一侧反射镜上通过中心小孔、部分透射、近布儒斯特角平板等方式实现光场的部分耦合输出，其中中心小孔耦合方式最为常见。

在红外和太赫兹波段的振荡器中，由于波长较长，通常光场衍射较快。在波荡器中，为使储存光场与电子束充分作用，提高光场单程增益，多采用光波导来控制光场尺寸和克服衍射损失。由于光波导的引入，会引起谐振腔内光场模式改变，从而会引起在某些波长附近出现耦合输出反射镜上中心孔附近光场强度很弱(如附图2所示)，进而导致耦合输出的功率出现急速减小甚至为零，影响输出光的波长调谐范围的问题，这就是振荡器自由电子激光中常见的“光谱间隙”现象(R.Prazeres,et al.,Physical Review SpecialTopics-Accelerators and Beams 12,010701(2009))。对一个自由电子激光器，“光谱间隙”的存在有着极为不利的影响，特别是当“光谱间隙”处在某些关键波长上时，会影响红外波段用户常用的光谱扫描研究方法的运用。因此，对于红外振荡器自由电子激光光源使用的光学谐振腔，如何解决“光谱间隙”现象是需要解决的问题。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔及激光器，能解决现有振荡器型自由电子激光器采用的上、下游反射镜对称的光学谐振腔，所存在的光谱间隙影响红外振荡器自由电子激光光源输出性能的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔，包括：

真空室、下游反射镜、平面反射镜、电子束、光波导、波荡器、上游反射镜和中心耦合输出孔；其中，

所述上游反射镜、平面反射镜和下游反射镜呈三角形分布设置于所述真空室内；

所述上游反射镜与所述平面反射镜之间的光路通过真空管道与所述光波导连接，所述光波导外侧设置所述波荡器；

所述平面反射镜与所述下游反射镜之间的光路通过真空管道连接；

所述下游反射镜与所述上游反射镜之间的光路通过真空管道连接；

所述上游反射镜的中心部位设有中心耦合输出孔；

所述上游反射镜与所述平面反射镜和下游反射镜之间构成三边环形光路的光学谐振腔。

本发明实施方式还提供一种振荡器型自由电子激光器，该激光器采用本发明所述的光学谐振腔。

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振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔及激光器，其有益效果为：

通过设置的平面反射镜与上、下游反射镜配合形成了三边环形光路的光学谐振腔，会使与电子束作用后获得增益的光场不再经过光波导返回至上游反射镜，而经下游反射镜返回至上游反射镜，并在此过程中同时对光束进行聚焦，使得上游反射镜上的光场始终呈高斯分布或近似高斯分布，显著提升光谱间隙附近波长上的自由电子激光输出功率，改善“光谱间隙”现象对红外振荡器自由电子激光器的不利影响。该三边环形光路的光学谐振腔具有易实现，输出红外自由电子激光宽调谐的优点。

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用于振荡器型自由电子激光器的三边环形光路的光学谐振腔的示意图；

图2为模拟得到的共振波长22.69微米(即光谱间隙)处，传统对称光学谐振腔的反射镜前的饱和光场分布图；

图3为模拟得到的共振波长22.69微米(即原光谱间隙)处，本发明实施例提供的三边环形光路的光学谐振腔的上游反射镜前的饱和光场分布图；

图4为模拟得到的本发明实施例提供的三边环形光路的光学谐振腔与传统对称光学谐振腔的自由电子激光输出功率比较图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，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。

如图1所示，本发明实施例提供一种用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔，是一种可应用于红外和太赫兹波段的振荡器自由电子激光器中的光学谐振腔，包括：

真空室、下游反射镜1、平面反射镜2、电子束3、光波导4、波荡器5、上游反射镜6和中心耦合输出孔7；其中，

所述上游反射镜6、平面反射镜2和下游反射镜1呈三角形分布设置于所述真空室内；

所述上游反射镜6与所述平面反射镜之间的光路通过真空管道与所述光波导4连接，所述光波导4外侧设置所述波荡器5；

所述平面反射镜2与所述下游反射镜1之间的光路通过真空管道连接；

所述下游反射镜1与所述上游反射镜6之间的光路通过真空管道连接；

所述上游反射镜6的中心部位设有中心耦合输出孔7；

所述上游反射镜6与所述平面反射镜2和下游反射镜1之间构成三边环形光路的光学谐振腔。

上述光学谐振腔中，所述光波导4的中心经过所述平面反射镜2到所述下游反射镜1中心的光程与所述上游反射镜6中心到所述光波导4的中心的光程相等。

上述光学谐振腔中，所述光波导4的上下两侧设置所述波荡器5的上下磁阵列。

本发明的方案，通过在光学谐振腔的下游反射镜与波荡器间的光路上设置一个平面反射镜，由此在上游反射镜、平面反射镜和下游反射镜这三者间形成三边环形光路的光学谐振腔。不同于常用的光场往返振荡的光学谐振腔，三边环形光路的光学谐振腔中的光场在增益以后，并不由原路返回，从而在光场返回时不经过光波导，形成一个三边环形光路，此光路对返程光场还有聚焦作用。振荡器型自由电子激光器中，波长较短时，储存在光学谐振腔内的光场在腔内各处的横向尺寸均不大，反射镜上的饱和光场分布呈高斯分布。但当波长较长时，腔内各处光斑尺寸均将相应变大，而真空管道特别是波荡器内的扁平真空室尺寸相对较小，衍射损耗增大，通过将波荡器内的扁平真空室替换为内壁光滑且电导率极高的光波导解决了该问题，光波导将对腔内光场产生影响，在某些特定波长上产生光谱间隙的现象。当自由电子激光工作在光谱间隙波长上时，谐振腔内的饱和光场将分成多个光场功率峰值，如图2所示。由于传统光腔均为上、下游反射镜对称设置，因此，在光谱间隙波长上，在上、下游反射镜上的光场均有相似分布。为减少光波导对腔内光场的负面影响，设计了本发明的三边环形光路的光学谐振腔，通过在光场返回时不经过光波导并进行聚焦，使得上游反射镜上的光斑始终呈高斯或者近似高斯分布，该三边环形光路的光学谐振腔中，可根据具体问题，调整三个反射镜的位置及它们分别与入射光光轴的夹角，这些参数的选取取决于耦合输出功率，只要满足装置结构限制及光的反射效应即可，其中，下游反射镜至上游反射镜的光程对腔内光场，即对耦合输出功率影响较大，由此这段光程在设计中较为关键，只要满足光波导的中心经过平面反射镜到下游反射镜中心的光程与上游反射镜中心到光波导的中心的光程相等即可。在不影响光谱间隙以外波长的耦合输出功率的情况下，三边环形光路的光学谐振腔可以大大改善光谱间隙处耦合输出功率低的问题，从而提升输出红外激光的调谐范围。

本发明实施例还提供一种振荡器型自由电子激光器，该激光器采用上述的三边环形光路的光学谐振腔。由于采用了不经光波导返回光路的三边环形光路的光学谐振腔，大大改善光谱间隙处耦合输出功率低的问题，可以明显提高光谱间隙附近波长上的自由电子激光输出功率，改善自由电子激光器在全波段范围内的整体输出性能。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明的用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔，包括：上游反射镜、平面反射镜、波荡器、光波导、下游反射镜和中心耦合输出孔；其中，

所述平面反射镜、上游反射镜和下游反射镜均放置于真空室中，并且上游反射镜与平面反射镜间通过真空管道与光波导连接；下游反射镜与平面反射镜和上游反射镜间均由真空管道连接，整体构成了三边环形光路的光学谐振腔，从光波导的中心出发经过平面反射镜到下游反射镜中心的光程与上游反射镜中心到光波导中心的光程相等；所述波荡器的上下磁阵列放置于光波导的上下两侧。电子束由光波导上游侧真空室偏转进入光波导，在波荡器磁场环境中与光学谐振腔内的储存光场相互作用使光场放大，并在光波导下游侧真空室偏转出光学谐振腔。在上游反射镜上开有一个用于耦合输出的圆孔，圆孔位于上游反射镜的中心。

通过将上游反射镜、平面反射镜和下游反射镜形成三边环形光路的光学谐振腔，能有效地提高光谱间隙波长上的自由电子激光输出功率。三个反射镜的位置及它们分别与入射光光轴的夹角的选取按照一般振荡器型自由电子激光设计而定，取决于耦合输出功率并需考虑到装置结构限制及光的反射效应。从光波导的中心出发经过平面反射镜到下游反射镜中心的光程与上游反射镜中心到光波导中心的光程相等；从上游腔镜经过光波导到平面反射镜至下游腔镜的这段光程稍大于下游腔镜至上游腔镜的光程。下游腔镜至上游腔镜的光程对腔内光场，对耦合输出功率影响较大，由此这段光程在设计中较为关键。

本发明与现有技术相比具有以下优点和积极效果：

(1)本发明的三边环形光路的光学谐振腔，提高了振荡器型自由电子激光光谱间隙处的耦合输出功率，消除光谱间隙，改善自由电子激光器在全波段范围内的整体输出性能。相比现有采用的上、下游反射镜对称的光学谐振腔，由高真空内两块相互对心的高反射率的反射镜构成，由光波导的引入带来的光谱间隙现象不可避免地影响自由电子激光的输出调谐范围。与现有技术相比较，本发明的方案优势在于周期内光场返回时不经过光波导并对光场进行聚焦，从而在上游反射镜上的光斑始终呈高斯分布或者近似高斯分布。与现有技术同样采用中心孔耦合输出时，本发明可将光谱间隙波长上的自由电子激光输出功率提高二十倍左右，使光谱间隙现象消失，同时，对于光谱间隙以外的波长，不但不会影响其正常起振以及饱和功率水平，还同样可以有效提高其耦合输出的自由电子激光功率，提高装置的整体性能。

(2)本发明三边环形光路的光学谐振腔，相比传统的光学谐振腔并未增加结构的复杂性，较易实现，且整体结构和部件位置均可根据需要调整。

实施例：

本实施例中，采用了如图1所示结构的三边环形光路的光学谐振腔，以共振波长范围为15～50微米的红外振荡器型自由电子激光为例，波荡器内真空室采用光波导结构，采用三边环形光路的光学谐振腔。模拟的主要参数分别为：电子束电子能量为25MeV，均方根能量分散为240keV；波荡器的周期长度为46毫米，周期数为50；上、下游反射镜反射率为98.5％，曲率半径为2.756米，平面反射镜反射率98.5％；矩形光波导的横截面内径宽和高分别为30毫米和10毫米，长度与波荡器的长度一致；中心耦合输出孔直径为2毫米。

本实施例中，采取平面反射镜、上游反射镜和下游反射镜形成三边环形光路的光学谐振腔。三个反射镜的位置及它们分别与入射光光轴的夹角的选取按照一般振荡器型自由电子激光设计而定，取决于耦合输出功率并需考虑到装置结构限制及光的反射效应。如图1所示，平面反射镜中心至下游反射镜中心的距离为1.00米，上游反射镜中心经过光波导到平面反射镜中心的直线距离为4.04米，下游反射镜中心至上游反射镜中心的距离为4.20米，入射光光轴与反射光光轴的夹角α₁73.97°、β₁13.76°、γ₁92.27°。

图4给出了模拟得到的上述三边环形光路的光学谐振腔的自由电子激光功率随波长变化的关系图，并与传统对称光学谐振腔原方案的情况进行了比较。模拟中的三边环形光路的光学谐振腔方案与传统对称光学谐振腔原方案差别在于平面反射镜有无及三个反射镜的位置和偏转角度，以此可比较出本发明的三边环形光路的光学谐振腔提高了光谱间隙的波长范围的自由电子激光输出功率，在光谱间隙中心波长22.69微米上，自由电子激光的输出功率由0.159兆瓦提高到了3.449兆瓦。由图2与图3对比可以看出，在共振波长22.69微米(即光谱间隙)处，模拟中本发明的三边环形光路的光学谐振腔相较于传统对称光学谐振腔对腔内光场有聚焦作用，使在上游反射镜上的光斑始终呈高斯分布或者近似高斯分布，可以提高中心耦合输出功率。

因此，可以看出，本发明的三边环形光路的光学谐振腔能改善带波导的红外振荡器自由电子激光的光谱间隙的影响，在兼具中心孔耦合输出方法的优势基础上，增大输出激光的调谐范围，是一种能实现宽调谐、高效高功率耦合输出的光学谐振腔。

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 (4)

1.一种用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔，其特征在于，包括：

真空室、下游反射镜(1)、平面反射镜(2)、电子束(3)、光波导(4)、波荡器(5)、上游反射镜(6)和中心耦合输出孔(7)；其中，

所述上游反射镜(6)、平面反射镜(2)和下游反射镜(1)呈三角形分布设置于所述真空室内；

所述上游反射镜(6)与所述平面反射镜之间的光路通过真空管道与所述光波导(4)连接，所述光波导(4)外侧设置所述波荡器(5)；

所述平面反射镜(2)与所述下游反射镜(1)之间的光路通过真空管道连接；

所述下游反射镜(1)与所述上游反射镜(6)之间的光路通过真空管道连接；

所述上游反射镜(6)的中心部位设有中心耦合输出孔(7)；

所述上游反射镜(6)与所述平面反射镜(2)和下游反射镜(1)之间构成三边环形光路的光学谐振腔。

2.根据权利要求1所述的用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔，其特征在于，所述光波导(4)的中心经过所述平面反射镜(2)到所述下游反射镜(1)中心的光程与所述上游反射镜(6)中心到所述光波导(4)的中心的光程相等。

3.根据权利要求1或2所述的用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔，其特征在于，所述光波导(4)的上下两侧设置所述波荡器(5)的上下磁阵列。

4.一种振荡器型自由电子激光器，其特征在于，该激光器采用权利要求1至3任一项所述的光学谐振腔。

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