相對于射頻電子加速器驅(qū)動的X射線光源,發(fā)展全光學(xué)X射線光源,對減小同步輻射和自由電子激光的裝置規(guī)模很有好處。所謂全光學(xué)光源,即利用激光等離子尾場加速原理獲得高能量電子束團(tuán),并用激光電場來替代常規(guī)的波蕩器。激光等離子加速能產(chǎn)生比常規(guī)射頻加速器高2-3個量級的加速梯度,而激光波蕩器的周期長度比常規(guī)磁鐵波蕩器小2-3個量級,因此,全光學(xué)方法可以將光源規(guī)模急劇縮小,是桌面型X射線光源的可行方案,對于同步輻射和自由電子激光等光源的普及應(yīng)用具有十分重要的意義。
激光等離子加速產(chǎn)生電子束團(tuán)峰值流強(qiáng)高(一般可達(dá)數(shù)千安培),束團(tuán)長度短(一般僅有幾個飛秒),橫向發(fā)射度極低(如0.1微米弧度),這些特性均十分符合高亮度X射線光源對電子束團(tuán)的要求。然而,目前為止,激光等離子體加速產(chǎn)生的電子束團(tuán)能散在1%以上,尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X射線FEL的需求,這就限制了其在高增益X射線FEL方面的應(yīng)用。
中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所研究人員發(fā)現(xiàn),通過耦合電子能量和橫向位置,并調(diào)節(jié)電子束在激光場中扭擺的中心位置,便可以補(bǔ)償全光學(xué)X射線光源中電子束團(tuán)的能散效應(yīng),相關(guān)研究成果近日發(fā)表在Optics Express22(2014)13880。具體原理如下:首先利用橫向色散元件將電子束團(tuán)的縱向能量映射到橫向分布;其次激光場在橫向天然具有高斯分布,即場強(qiáng)從橫切面中心位置向四周遞減,只要入射電子束團(tuán)不在激光場中心扭擺,便自然感受到橫向場梯度的存在,也就是所謂的具有橫向梯度的激光波蕩器。這樣安排下,不同能量電子均滿足自由電子激光共振條件,便可將能量轉(zhuǎn)換效率提高2-3個量級,并改善FEL橫向模式。
本項研究得到了國家自然科學(xué)基金委、國家科技部973項目和中國科學(xué)院的資助支持,由中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理所張彤博士和鄧海嘯博士等合作完成。
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http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-22-11-13880

左圖:全光學(xué)光源中,電子束團(tuán)(紅色圓點(diǎn))以一個橫向偏移進(jìn)入激光波蕩器場扭擺;中圖:縱向能量和橫向位置關(guān)聯(lián)的電子束團(tuán)在激光波蕩器梯度場中符合共振關(guān)系;右圖:全光學(xué)光源輻射功率隨激光束斑大小和橫向偏移的變化情況,紅色區(qū)域?yàn)閮?yōu)化區(qū)域。
(上海應(yīng)用物理研究所汪蕾提供)