[实用新型]一种外种子型自由电子激光装置

说明书

本实用新型涉及一种外种子型自由电子激光装置，安装于产生电子束的高能直线加速器的出口处，沿电子束传播方向依次包括第一调制段、第一色散段、第二调制段、第二色散段以及辐射段，在所述第二色散段和所述辐射段之间设有变磁距波荡器，所述变磁距波荡器的磁极间距沿电子束传播方向渐缩。本实用新型的激光装置能够有效地产生短波长、全相干的X射线，结构简单、调节难度低，并且可以产生稳定性较高的辐射输出。

技术领域

本实用新型涉及X射线激光装置领域，更具体地涉及一种外种子型自由电子激光装置，用于产生全相干、短波长的自由电子激光。

背景技术

波荡器是一种磁极随着电子束传播方向周期性变化的特殊磁铁结构，当电子束在波荡器中运动并满足共振条件时，可以产生特性优越的光源。由于其优越的辐射特性，被广泛地用于产生高亮度的X射线自由电子激光。现有技术中所使用的波荡器均为磁间距固定的波荡器，即磁间距不随着电子束传播方向发生变化。然而，当电子束在这种波荡器中产生辐射时，光被快速放大，电子束的品质会被快速破坏，使得电子束不能用于继续产生谐波辐射。

X射线自由电子激光装置可以产生高亮度、短脉冲、高准直、横向相干的X射线，其被广泛应用于微观物质特性研究领域。现有的自由电子激光装置，根据运行模式的不同，可以分为自放大型和种子型自由电子激光装置。而目前常用的产生全相干自由电子激光的方法通常为：通过波长相对较长的外种子激光对电子束进行调制(目前常用的外种子激光波长为265纳米，且该波长已经是常规激光能够产生的比较短的波长)，再通过谐波辐射产生对应的激光辐射。但这种方法受限于谐波转换次数的限制，不能产生亚纳米(0.8-3纳米)波段的全相干X射线。

为产生短波长的全相干X射线，目前可采用两种方法：一种为通过外种子辐射，利用回声谐波放大的方法产生高亮度、全相干的自由电子激光(报道于《自然-光子》2019年第13卷第555页《用回声谐波放大自由电子激光产生全相干软X射线脉冲》)，另一种为在波荡器中间插入单色器，通过自身产生的短波长种子激光与电子束相互作用来产生短波长的全相干X射线(报道于《美国物理评论快报》2015年第114卷第054801-1页《软X射线自种子自由电子激光的实验验证》)。前者通过单次谐波辐射放大实现高次谐波辐射，但这种单级谐波放大的方法会受谐波转换次数的影响，难以实现超高次谐波信号。后者则会使得光谱发生展宽，严重影响辐射的纵向相干性，且通过这种方式获得的自由电子激光的辐射波长和光谱亮度稳定性非常差，严重限制了自由电子激光装置的应用。

实用新型内容

为解决上述现有技术中的问题，本实用新型提供一种外种子型自由电子激光装置，能够获得辐射特性较为稳定的亚纳米波段的全相干自由电子激光。

本实用新型提供的一种外种子型自由电子激光装置，安装于产生电子束的高能直线加速器的出口处，沿电子束传播方向依次包括第一调制段、第一色散段、第二调制段、第二色散段以及辐射段，其中，在所述第二色散段和所述辐射段之间设有变磁距波荡器，所述变磁距波荡器的磁极间距沿电子束传播方向渐缩。

优选地，所述变磁距波荡器在电子束入射口处的磁极间距为15.88毫米，在电子束出射口处的磁极间距为15.81-15.84毫米。

优选地，所述第一调制段、所述第一色散段、所述第二调制段、所述第二色散段、所述变磁距波荡器以及所述辐射段的磁中心位于同一高度，且所述第一调制段、所述第二调制段、所述变磁距波荡器以及所述辐射段位于同一水平位置。

进一步地，所述第一调制段设置为接收来自高能直线加速器的电子束以及第一路种子激光，并在电子束的能量空间产生能量调制，所述第二调制段设置为接收来自第一色散段的电子束以及第二路种子激光，并在电子束的能量空间产生第二次能量调制。

优选地，所述第一调制段产生的能量调制为电子束初始能散的4倍，所述第二调制段产生的能量调制为电子束初始能散的2.5倍。

优选地，所述第一调制段和所述第二调制段均是等磁极间距的小型波荡器，其周期为70-90毫米、长度为0.6-1米。