自由電子雷射裝置小型化相關物理與技術研究

《自由電子雷射裝置小型化相關物理與技術研究》是依託中國科學技術大學，由賈啟卡擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：自由電子雷射裝置小型化相關物理與技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：賈啟卡
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

自由電子雷射具有其它普通雷射光源所無法替代的優點，在科學研究，及國防、醫學、工業和國民經濟各方面都具有非常廣闊的重要套用。但自由電子雷射，特別是X射線自由電子雷射裝置複雜，規模巨大，投資高，為自由電子雷射的普及與發展造成巨大障礙。因此自由電子雷射裝置小型化是自由電子雷射領域的一個重要發展方向和研究熱點，對於自由電子雷射的普及及套用有著重要的意義。我們將在國外已有相關工作以及我們自己工作基礎上，針對FEL裝置小型化相關的物理機制和技術途徑開展研究。重點對高增益諧波FEL的物理機制進行概念研究，探索研究在較低能量電子束下高增益諧波FEL的新方案；對高場強、短周期波盪器的最佳化設計與技術方案進行深入研究；對橫向梯度磁場波盪器進行研究設計，研究其用於雷射加速電子束來產生FEL的可行性。

結題摘要

自由電子雷射（FEL）具有其它雷射光源所無法替代的優點，具有非常廣闊的重要套用。但自由電子雷射，特別是X射線FEL裝置規模巨大，投資高，為自由電子雷射的普及與發展造成巨大障礙。因此FEL裝置小型化是自由電子雷射領域的一個重要發展方向和研究熱點，對於自由電子雷射的普及及套用有著重要的意義。 針對FEL裝置小型化的物理機制和技術途徑，我們開展了多方面的研究： 對高增益諧波FEL，我們研究給出了線性諧波產生與非線性諧波產生的輻射的關係與不同特性，提出了不用橫向梯度波盪器的相位匯聚（PEHG）型高次諧波放大FEL方案；還給出了一般非共振FEL增益公式，可計算從低增益到高增益的FEL增益，首次給出了非共振時增益長度與失諧參數的顯式解析關係式。 對短周期、高場強波盪器的最佳化設計與技術方案的研究。仔細研究了交錯磁極波盪器的方案改進，給出了最佳化設計；給出了純永磁波盪器場強提高方案，在不同磁間隙周期比值下場強都有所提高；提出了常規波盪器兼用橫向梯度波盪器的方案，經濟實用，並且梯度可調，不需額外校正磁鐵。還給出了台階式變參數波盪器的最優階變數。 對預群聚電子輻射的研究，給出了預群聚電子從相干自發輻射到指數高增益的功率增長一般公式。提出了光陰極微波電子槍中產生高群聚因子電子束團串的方案。提出了在諧波放大型FEL上產生飛秒級超短脈衝X-FEL的一種方案。 提出並研究了多種緊湊型THz-FEL光源方案：介質波導高次諧波方案；預群聚電子束加波導（包括介質波導及金屬波導）方案；多模式同時相干激發太赫茲方案等。它們結構緊湊，分別具有輻射功率高或寬頻可調或重複頻率高等優點。通過本項目的研究，給出的一些新的解析結果對FEL物理方案的參數設計與分析具有理論指導意義；給出的FEL運行模式與裝置的一些新方案有助於提升FEL相關性能，減小FEL裝置規模。