太赫茲自由電子激光的受激飽和實驗?

黎明楊興繁許州束小建魯向陽黃文會王漢斌竇玉煥沈旭明單李軍鄧德榮徐勇柏偉馮第超吳岱肖德鑫王建新羅星周奎勞成龍閆隴剛林司芬張鵬張浩和天慧潘清李相坤李鵬劉宇楊林德劉婕張德敏李凱陳亞男

1)(中國工程物理研究院應用電子學研究所,綿陽 621900)

2)(四川省國防科技工業辦公室,成都 610051)3)(北京應用物理與計算數學研究所,北京 100094)

4)(北京大學重離子物理研究所,北京 100871)

5)(清華大學工程物理系,北京 100084)

(2017年11月9日收到;2017年12月21日收到修改稿)

1 引 言

從Madey[1]于1971年首次提出自由電子激光(FEL)原理至今的47年里,世界上至少已建成了51臺FEL裝置,并有20臺以上的裝置在建或計劃建造[2].這些FEL裝置目前已經實現了從太赫茲到硬X射線譜段的激光出光[3?6],并作為目前最高峰值亮度的先進光源推動了生命科學、信息技術、材料等多個學科的進步[7?10],成為當前研究物質世界的強有力工具.

從20世紀80年代開始,我國針對FEL開展了大量理論與實驗研究[11?15].1993年,分別代表諧振腔型技術路線和放大器型技術路線的“北京自由電子激光”(BFEL)[16]和“曙光一號”自由電子激光[17]出光;2005年,中國工程物理研究院遠紅外自由電子激光獲得受激輻射[18];2012年,中國科學院上海應用物理研究所世界首臺回聲放大型自由電子激光出光[19];2017年,中國科學院大連化學物理研究所深紫外自由電子激光出光[20].上海應用物理研究所目前正在調試國內首臺軟X射線自由電子激光[21],未來還將在上海建設國內首臺硬X射線自由電子激光裝置[22].

近幾年隨著太赫茲(THz)技術的迅猛發展,在FEL輻射的長波長一端,THz FEL獲得了非常高的關注度.全世界計劃未來建造的20臺FEL裝置中就有8臺能工作在THz波段[2],這充分說明THz FEL在FEL領域占據熱點位置,并將為諸如強光場下THz非線性效應等基礎研究提供先進穩定的光源[23?25].國內前期在加速器驅動的搖擺器超寬帶THz輻射源開展了大量工作,包括上海應用物理研究所[26]、北京大學[27]和清華大學[28]都進行了相關研究,但搖擺器超寬帶輻射源中心頻率調節范圍一般不易大于1 THz,且頻譜寬度較寬.長期以來,我國都缺乏一臺工作在THz頻段、調節范圍足夠寬的自由電子激光器.

由中國工程物理研究院牽頭,北京大學、清華大學等多家單位聯合研制的高平均功率THz自由電子激光裝置(CTFEL)是國內首臺基于光陰極高壓直流電子槍和超導射頻加速器,工作在高重復頻率、高占空比狀態下的THz自由電子激光器[29?32].CTFEL采用諧振腔型技術路線,于2017年8月29日首次實現受激飽和出光[33].本文主要介紹CTFEL裝置的系統組成以及受激飽和的實驗情況.

2 裝置系統組成

CTFEL裝置布局示意見圖1,裝置的主要參數如表1所列.裝置采用諧振腔型FEL技術路線,主要包括直流高壓光陰極電子源系統、射頻超導加速器、平面型搖擺器、激光諧振腔、THz傳輸與測量系統等.高亮度電子束由波長532 nm的皮秒驅動激光從砷化鎵光陰極表面激發,由高壓直流電子槍發射,經過發射度補償和微波聚束后,進入兩段由2 K超流氦冷卻的4-cell TESLA型超導射頻加速腔,獲得6—8 MeV能量,再經過消色散段,最終進入搖擺器產生THz自發輻射.THz自發輻射在光腔中諧振,并受激放大獲得飽和輸出.

圖1 CTFEL裝置布局示意圖Fig.1.Layout of CTFEL facility.

表1 CTFEL裝置主要參數Table 1.Main parameters of CTFEL facility.

2.1 高亮度電子源系統

高亮度電子源系統主要包括砷化鎵光陰極制備系統、load-lock系統、驅動激光以及高壓直流電子槍(DC gun).DC gun結構如圖2所示[34,35],槍體為四通型,徑向尺寸達到Φ500 mm以降低電極表面場強;高壓絕緣子采用電荷泄放型陶瓷絕緣子,提高強電場工作穩定性;陰極支撐桿和地電位之間加一電極,降低陰極支撐桿表面電場強度;絕緣子外表面為5 atm(1 atm=1.013×105Pa)的SF6氣體絕緣,并置空間非均勻分布金屬環分壓;超高真空由三極濺射離子泵和非蒸散吸氣泵(NEG)的組合實現.通過烘烤、NEG等一系列手段,工作狀態下的真空度穩定在3×10?9Pa左右,電子槍出口處電子束動能約為200—350 keV,目前工作在320 keV.

圖2 CTFEL高壓直流電子槍外觀及細節示意圖Fig.2.Appearance and detail of the CTFEL highvoltage direct-current gun.

2.2 射頻超導加速器系統

射頻超導加速器系統包括超導加速器、低溫系統、微波源系統和低電平控制系統[36].

2×4-cell超導加速器結構示意圖如圖3所示,加速器核心部件為兩只4-cell TESLA型超導加速腔,其內部建立1.3 GHz TM010模式的電磁場,電子束從超導腔中心經過,受腔內部的電場作用獲得加速.大功率微波耦合器用于將微波源產生的功率傳輸至超導腔內部建場,最大可傳輸功率達到30 kW以上(連續波(CW)模式).為獲得高品質的電子束,采用低電平控制系統維持超導腔內電磁場的幅、相穩定度分別好于0.05%和0.1?.同時,由于抽真空降溫、麥克風效應、洛倫茲失諧等作用,將導致超導加速腔失諧,調諧器用于將超導加速腔在2 K下的工作頻率穩定在1.3 GHz.此外,低溫恒溫器為超導加速腔提供低溫低磁的工作環境,設有2 K和80 K兩層低溫層,以減小低溫系統熱損.恒溫器外筒和內磁屏蔽層共同用于磁屏蔽,實現內部磁場環境低于12 mGs(1 Gs=10?4T).

圖3 2×4-cell超導加速器結構示意圖Fig.3.A schematic of the 2×4-cell superconducting accelerator structure.

基于高階模、束載、能散、工作環境等方面的物理分析,我們對2×4-cell超導加速器進行了設計與制造.目前加速器已實現2 K下長時間穩定運行,平均加速梯度可達到10 MV/m以上,實現電子束增能6—8 MeV可調.

2.3 搖擺器和光腔系統

CTFEL包括一臺Halbach結構的混合型永磁搖擺器,其周期長度為38 mm,有42個標準周期,間隙在18—32 mm之間可調,最小間隙下峰值磁場可達0.55 T.搖擺器機械驅動系統采用伺服電機和光柵尺閉環控制,間隙調節分辨率為1μm.單電子軌跡中心偏移小于0.1 mm.橫向磁場好場區大于12 mm,好場區內磁場誤差小于0.1%.

CTFEL采用光學諧振腔實現光場的受激增益,光場被束縛在腔鏡之間的波導中,波導可有效降低傳輸損耗.光腔采用下游腔鏡孔耦合輸出,耦合孔直徑為2.4 mm,耦合輸出效率為2%左右(計算值).腔鏡采用銅材料表面鍍金,反射率優于95%.

3 THz光測試

3.1 實驗布局及測試原理

THz傳輸光路如圖4所示.THz由激光諧振腔下游腔鏡耦合輸出孔輸出,再經過隔離真空環境和氮氣環境的熔融石英輸出窗進入擴束整形系統中,經過傳輸管道,穿過輻射隔離墻,進入到位于實驗室用戶間內的聚束收集系統(為標示簡單,分別采用一塊凹面鏡標示整個擴束整形系統和聚束收集系統),經過聚束后穿過邁拉膜(Mylar)輸出窗進入位于大氣環境中的THz測量系統.

圖4 THz傳輸光路示意圖Fig.4.Layout of THz transmission.

THz測量系統光路如圖5所示.THz由聚束收集系統的邁拉膜輸出窗輸出,傳入功率計測量THz宏脈沖能量,透過功率計的THz光進入傅里葉光譜儀(Bruker VERTEX 80V型)進行頻譜測量,在功率計表面反射的THz進入到高靈敏快響應的鍺摻鎵低溫探測器中測量宏脈沖波形.

THz宏脈沖內平均功率測量采用Thomas Keating Instruments(以下簡稱TK)的功率計,該功率計在測量較低占空比時不能工作在功率測量模式,只能工作在能量測量模式.測量時激光照射在能量計窗口,THz光能量在探測器上沉積產生電壓信號,電壓信號的幅值與沉積能量的對應關系事先已經經過計量單位標定,標定系數為r=0.233 mV·μJ?1.利用示波器測量該電壓信號V0,經過計算得到沉積在探測器上的能量E為

再利用示波器測量鍺摻鎵探測器得到的宏脈沖寬度τ,計算得到宏脈沖內的平均功率Pavg為

其中0.49是功率計上的能量吸收效率,T是功率計窗口的THz傳輸效率,η是由THz光腔耦合孔到達功率計的傳輸效率.高真空輸出窗的材料為熔融石英,聚束系統輸出窗材料為邁拉膜.由于這兩種材料的透射率與THz波長有關,實驗中需要對特定波長的兩種窗口材料的透射率進行現場測量:將石英窗口插入功率測量光路中,得到探測器上的電壓信號為V1,取出石英窗口,插入邁拉膜窗口,得到探測器上電壓信號為V2,則有η=V1V2/V20.

圖5 THz測量光路示意圖Fig.5.Layout of THz measurement.

3.2 測量結果

在f=2.0,2.5,3.0 THz三個頻率點附近選取三種輸出狀態,測量得到的CTFEL受激飽和功率輸出如表2所列.測試過程中,由于裝置保護系統尚未完成安裝調試,因此選用脈沖寬度為1.0 ms或1.5 ms、重復頻率為1 Hz的宏脈沖模式.

圖6給出了CTFEL的功率和頻率測量結果,其中圖6(b)以1.99 THz為例給出了TK功率計上V0,V1和V2的結果,由此計算出到達單個宏脈沖的能量.圖6中縱坐標S,U分別為相對強度、電壓,橫坐標t為時間.

表2 CTFEL受激飽和功率輸出結果Table 2.Stimulated saturation power measurement of CTFEL.

通過鍺摻鎵探測器的宏脈沖信號可以測量宏脈沖長度和CTFEL的平均單程凈增益.圖7(a)給出了2.92 THz下的宏脈沖平頂,其前沿如圖7(b)所示.由圖7(a)可以看出,THz宏脈沖的長度略小于電子束的宏脈沖長度,這是因為裝置宏脈沖狀態下的低電平前饋系統尚未調試完成,宏脈沖前100μs的電子束無法受激飽和,飽和后在長時間尺度內微脈沖的功率一致性較差,1 ms以后信號趨于穩定,微脈沖束團間的功率一致性好于1%.這是因為低電平在較大束流負載時需要較長的穩定時間,這些不利因素將在未來CW工作狀態下被消除.

圖7(b)中將橫坐標時間換算成光在光腔中經過的來回的次數(pass數),由此計算出在激光功率的指數上升區,平均單程凈增益大于2.5%.

圖6 頻率與功率測量 (a)三個頻率點的頻譜;(b)1.99 THz下TK功率計波形Fig.6.Measurement of frequency spectrum and THz power:(a)Spectrum;(b)oscilloscope waveform of TK power meter at 1.99 THz.

圖7 2.92 THz宏脈沖受激飽和輸出波形 (a)THz宏脈沖信號;(b)宏脈沖前沿Fig.7.Stimulated saturation signal at 2.92 THz:(a)Macro-pulse signal;(b)the signal front of the macro-pulse.

微脈沖功率方面,由于缺乏THz自相關儀,因此不能準確測量縱向長度,采取下述方法進行估計:讀取傅里葉變換光譜儀的時域信號,其時域干涉圖類似于自相關曲線,做出其包絡,包絡半高全寬的倍近似為光的微脈沖半高全寬[37].圖8所示為中心頻率2.92 THz時取包絡半高全寬的結果,橫坐標z為光譜儀動鏡造成的光程差,縱坐標為探測器相對信號,圖中用三根橫線分別表示干涉圖的0點、最高位置和半高全寬位置,用兩根豎線來表示半高全寬,測量得到光束的縱向半高全寬約為930 fs,此處的微脈沖能量約為331 nJ,微脈沖功率為0.36 MW.圖中的時域干涉圖誤差較大,因此這一結果僅能作為估測結果.這一方法得到的縱向半高全寬與傅里葉變換光譜儀的頻域結果看似存在矛盾,因為如圖6(a)中的頻譜,每一個峰的譜寬度都相對較窄,按照傅里葉變換的性質,時域上的光束長度就不可能這么短.實際上,由于采用的占空比過低,因此光譜儀的頻譜信號是采用30 min多次測頻譜平均得來,時域上由于宏脈沖之間存在時間抖動,長期的結果將使頻譜收窄.在實驗中,這一判斷通過取不同時間長度進行測量得到了驗證.

圖8 2.92 THz微脈沖時域干涉圖Fig.8.Time-domain interferogram of the micro-pulse at 2.92 THz.

4 結 論

中國工程物理研究院高平均功率THz自由電子激光裝置采用諧振腔型技術路線,達到了自由電子激光受激飽和,并實現了THz輸出頻率可調.在1.99,2.41和2.92 THz三個頻率點進行測試,THz宏脈沖內平均功率大于10 W,最高17.9 W.下一步,CTFEL將升級保護控制系統,爭取早日實現CW運行,同時將開展裝置用戶實驗,多渠道發掘該裝置的應用潛力與推廣前景,為各相關學科研究和THz輻射在其他高新技術領域的應用提供支撐.同時,在現有裝置的基礎上進一步拓展FEL波長范圍,使其成為我國光源體系中的重要組成部分,推動我國THz技術的發展.

[1]Madey J M J 1971J.Appl.Phys.42 1906

[2]Cohn K,Blau J,Colson W,Blau J,Ng J 2015Proceedings of FEL 2015Daejeon,Korea,August 23–28,2015 p625

[3]Ayvazyan V,Baboi N,Bohnet I,Brinkmann R,Castellano M,Castro P,Catani L,Choroba S,Cianchi A,Dohlus M,Edwards H T 2002Phys.Rev.Lett.88 104802

[4]Shintake T,Tanaka H,Hara T,Tanaka T,Togawa K,Yabashi M,Otake Y,Asano Y,Bizen T,Fukui T,Goto S 2008Nature Photon.2 555

[5]Emma P,Akre R,Arthur J,Bionta R,Bostedt C,Bozek J,Brachmann A,Bucksbaum P,Cof f ee R,Decker F J,Ding Y 2010Nat.Photon.4 641

[6]Pile D 2011Nat.Photon.5 456

[7]Young L,Kanter E P,Kr?ssig B,Li Y,March A M,Pratt S T,Santra R,Southworth S H,Rohringer N,DiMauro L F,Doumy G 2010Nature466 56

[8]Vinko S M,Ciricosta O,Cho B I,Engelhorn K,Chung H K,Brown C R,Burian T,Chalupsky J,Falcone R W,Graves C,Hajkova V 2012Nature482 59

[9]Takahashi S,Brunel L C,Edwards D T,van Tol J,Ramian G,Han S,Sherwin M S 2012Nature489 409

[10]McSweeney S,Fromme P 2014Nature505 620

[11]Zhao D H 1994Acta Phys.Sin.43 1447(in Chinese)[趙東煥1994物理學報43 1447]

[12]Yin Y Z 1983Acta Phys.Sin.32 1407(in Chinese)[尹元昭1983物理學報32 1407]

[13]Hui Z X,Yang Z H 1983Free Electron Laser(Beijing:National Defense Industry Press)(in Chinese)[惠中錫,楊震華1983自由電子激光(北京:國防工業出版社)]

[14]Li J,Pei Y J,Hu T N,Chen Q S,Feng G Y,Shang L,Li C L 2014Chin.Phys.C38 103

[15]Jia Q K 2017Chin.Phys.C41 18101

[16]Xie J L,Fu E S 1994High Energy Physics and Nuclear Physics18 572(in Chinese)[謝家麟,傅恩生 1994高能物理與核物理18 572]

[17]Zhou C M 1993High Power Laser and Particle Beams2 1(in Chinese)[周傳明1993強激光與粒子束2 1]

[18]Jin X,Li M,Xu Z,Li W H,Yang X F,Chen T C,Xu Y,Yu H,Wang Y,Shen X M 2006High Energy Physics and Nuclear Physics30 96(in Chinese)[金曉,黎明,許州,黎維華,楊興繁,陳天才,徐勇,余虹,王遠,沈旭明2006高能物理與核物理30 96]

[19]Zhao Z T,Wang D,Chen J H,Chen Z H,Deng H X,Ding J G,Feng C,Gu Q,Huang M M,Lan T H,Leng Y B 2012Nat.Photon.6 360

[20]Dennis N 2017Science355 235

[21]Zhao Z T,Wang D,Gu Q,Yin L,Fang G,Gu M,Leng Y B,Zhou Q,Liu B,Tang C,Huang W 2017Synchrotron Radiation News30 29

[22]Zhu Z,Zhao Z T,Wang D,Liu Z,Li R,Yin L,Yang Z H 2017Proceedings of FEL 2017Santa Fe,NM,USA.August 20–25,2017 MOP055

[23]Liu M,Hwang H Y,Tao H,Strikwerda A C,Fan K,Keiser G R,Sternbach A J,West K G,Kittiwatanakul S,Lu J,Wolf S A 2012Nature487 345

[24]Fan K,Hwang H Y,Liu M,Strikwerda A C,Sternbach A,Zhang J,Zhao X,Zhang X,Nelson K A,Averitt R D 2013Phys.Rev.Lett.110 217404

[25]Kulipanov G N,Gavrilov N G,Knyazev B A,Kolobanov E I,Kotenkov V V,Kubarev V V,Matveenko A N,Medvedev L E,Miginsky S V,Mironenko L A,Ovchar V K 2008Terahertz Sci.Technol.1 107

[26]Zhang J,Deng H X,Lin X,Dai D,Sun Q,Lu S,Yu T,Zhao H,Yang H,Dai Z 2012Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.,Sect.A693 23

[27]Wen X,Huang S L,Lin L,Wang F,Zhu F,Feng L,Yang L,Wang Z,Fan P,Hao J,Quan S 2016Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.Sect.A820 75

[28]Su X L,Wang D Tian Q L 2017Proceedings of IPAC 2017Copenhagen,Denmark,May 14–19,2015 p1488

[29]Xu Z,Yang X F,Li M 2013J.Terahertz Science and Electronic Information Technology1 1(in Chinese)[許州,楊興繁,黎明2013太赫茲科學與電子信息學報1 1]

[30]Dou Y H,Shu X J,Wang Y Z 2006High Power Laser and Particle Beams18 1345(in Chinese)[竇玉煥,束小建,王元璋2006強激光與粒子束18 1345]

[31]Dou Y H,Shu X J,Deng D R,Yang X F,Li M 2013High Power Laser and Particle Beams25 662(in Chinese)[竇玉煥,束小建,鄧德榮,楊興繁,黎明 2013強激光與粒子束25 662]

[32]Li P,Jiao Y,Bai W,Wang H B,Cui X H,Li X K 2014High Power Laser and Particle Beams26 3102(in Chinese)[李鵬,焦毅,柏偉,王漢斌,崔小昊,李相坤 2014強激光與粒子束26 3102]

[33]Li M,Yang X F,Xu Z,Shu X J,Lu X Y,Huang W H,Wang H B,Dou Y H,Shen X M,Shan L J,Deng D R,Xu Y,Bai W,Feng D C,Wu D,Xiao D X,Wang J X,Luo X,Zhou K,Lao C L,Yan L G,Lin S F,Zhang P,Zhang H,He T H,Pan Q,Li X K,Li P,Liu Y,Yang L D,Liu J,Zhang D M,Li K,Chen Y N 2017High Power Laser and Particle Beams29 101(in Chinese)[黎明,楊興繁,許州,束小建,魯向陽,黃文會,王漢斌,竇玉煥,沈旭明,單李軍,鄧德榮,徐勇,柏偉,馮第超,吳岱,肖德鑫,王建新,羅星,周奎,勞成龍,閆隴剛,張鵬,張浩,和天慧,林司芬,潘清,李相坤,李鵬,劉宇,楊林德,劉婕,張德敏,李凱,陳亞男2017強激光與粒子束29 101]

[34]Wang H B,Yang X F,Pan Q,Li M 2013High Power Laser and Particle Beams25 145(in Chinese)[王漢斌,楊興繁,潘清,黎明2013強激光與粒子束25 145]

[35]Wu D 2014Ph.D.Dissertation(Beijing:Tsinghua University)(in Chinese)[吳岱 2014博士學位論文(北京:清華大學)]

[36]Luo X,Lao C,Zhou K,Li M,Yang X,Lu X,Quan S,Wang F,Mi Z,Sun Y,Wang H 2017Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.Sect.A871 30

[37]Murokh A,Rosenzweig J B,Hogan M,Suk H,Travish G,Happek U 1998Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.,Sect.A410 452