太赫兹自由电子激光的受激饱和实验∗

黎明杨兴繁许州束小建鲁向阳黄文会王汉斌窦玉焕沈旭明单李军邓德荣徐勇柏伟冯第超吴岱肖德鑫王建新罗星周奎劳成龙闫陇刚林司芬张鹏张浩和天慧潘清李相坤李鹏刘宇杨林德刘婕张德敏李凯陈亚男

1)(中国工程物理研究院应用电子学研究所,绵阳 621900)

2)(四川省国防科技工业办公室,成都 610051)3)(北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094)

4)(北京大学重离子物理研究所,北京 100871)

5)(清华大学工程物理系,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

从Madey[1]于1971年首次提出自由电子激光(FEL)原理至今的47年里,世界上至少已建成了51台FEL装置,并有20台以上的装置在建或计划建造[2].这些FEL装置目前已经实现了从太赫兹到硬X射线谱段的激光出光[3−6],并作为目前最高峰值亮度的先进光源推动了生命科学、信息技术、材料等多个学科的进步[7−10],成为当前研究物质世界的强有力工具.

从20世纪80年代开始,我国针对FEL开展了大量理论与实验研究[11−15].1993年,分别代表谐振腔型技术路线和放大器型技术路线的“北京自由电子激光”(BFEL)[16]和“曙光一号”自由电子激光[17]出光;2005年,中国工程物理研究院远红外自由电子激光获得受激辐射[18];2012年,中国科学院上海应用物理研究所世界首台回声放大型自由电子激光出光[19];2017年,中国科学院大连化学物理研究所深紫外自由电子激光出光[20].上海应用物理研究所目前正在调试国内首台软X射线自由电子激光[21],未来还将在上海建设国内首台硬X射线自由电子激光装置[22].

近几年随着太赫兹(THz)技术的迅猛发展,在FEL辐射的长波长一端,THz FEL获得了非常高的关注度.全世界计划未来建造的20台FEL装置中就有8台能工作在THz波段[2],这充分说明THz FEL在FEL领域占据热点位置,并将为诸如强光场下THz非线性效应等基础研究提供先进稳定的光源[23−25].国内前期在加速器驱动的摇摆器超宽带THz辐射源开展了大量工作,包括上海应用物理研究所[26]、北京大学[27]和清华大学[28]都进行了相关研究,但摇摆器超宽带辐射源中心频率调节范围一般不易大于1 THz,且频谱宽度较宽.长期以来,我国都缺乏一台工作在THz频段、调节范围足够宽的自由电子激光器.

由中国工程物理研究院牵头,北京大学、清华大学等多家单位联合研制的高平均功率THz自由电子激光装置(CTFEL)是国内首台基于光阴极高压直流电子枪和超导射频加速器,工作在高重复频率、高占空比状态下的THz自由电子激光器[29−32].CTFEL采用谐振腔型技术路线,于2017年8月29日首次实现受激饱和出光[33].本文主要介绍CTFEL装置的系统组成以及受激饱和的实验情况.

2 装置系统组成

CTFEL装置布局示意见图1,装置的主要参数如表1所列.装置采用谐振腔型FEL技术路线,主要包括直流高压光阴极电子源系统、射频超导加速器、平面型摇摆器、激光谐振腔、THz传输与测量系统等.高亮度电子束由波长532 nm的皮秒驱动激光从砷化镓光阴极表面激发,由高压直流电子枪发射,经过发射度补偿和微波聚束后,进入两段由2 K超流氦冷却的4-cell TESLA型超导射频加速腔,获得6—8 MeV能量,再经过消色散段,最终进入摇摆器产生THz自发辐射.THz自发辐射在光腔中谐振,并受激放大获得饱和输出.

图1 CTFEL装置布局示意图Fig.1.Layout of CTFEL facility.

表1 CTFEL装置主要参数Table 1.Main parameters of CTFEL facility.

2.1 高亮度电子源系统

高亮度电子源系统主要包括砷化镓光阴极制备系统、load-lock系统、驱动激光以及高压直流电子枪(DC gun).DC gun结构如图2所示[34,35],枪体为四通型,径向尺寸达到Φ500 mm以降低电极表面场强;高压绝缘子采用电荷泄放型陶瓷绝缘子,提高强电场工作稳定性;阴极支撑杆和地电位之间加一电极,降低阴极支撑杆表面电场强度;绝缘子外表面为5 atm(1 atm=1.013×105Pa)的SF6气体绝缘,并置空间非均匀分布金属环分压;超高真空由三极溅射离子泵和非蒸散吸气泵(NEG)的组合实现.通过烘烤、NEG等一系列手段,工作状态下的真空度稳定在3×10−9Pa左右,电子枪出口处电子束动能约为200—350 keV,目前工作在320 keV.

图2 CTFEL高压直流电子枪外观及细节示意图Fig.2.Appearance and detail of the CTFEL highvoltage direct-current gun.

2.2 射频超导加速器系统

射频超导加速器系统包括超导加速器、低温系统、微波源系统和低电平控制系统[36].

2×4-cell超导加速器结构示意图如图3所示,加速器核心部件为两只4-cell TESLA型超导加速腔,其内部建立1.3 GHz TM010模式的电磁场,电子束从超导腔中心经过,受腔内部的电场作用获得加速.大功率微波耦合器用于将微波源产生的功率传输至超导腔内部建场,最大可传输功率达到30 kW以上(连续波(CW)模式).为获得高品质的电子束,采用低电平控制系统维持超导腔内电磁场的幅、相稳定度分别好于0.05%和0.1◦.同时,由于抽真空降温、麦克风效应、洛伦兹失谐等作用,将导致超导加速腔失谐,调谐器用于将超导加速腔在2 K下的工作频率稳定在1.3 GHz.此外,低温恒温器为超导加速腔提供低温低磁的工作环境,设有2 K和80 K两层低温层,以减小低温系统热损.恒温器外筒和内磁屏蔽层共同用于磁屏蔽,实现内部磁场环境低于12 mGs(1 Gs=10−4T).

图3 2×4-cell超导加速器结构示意图Fig.3.A schematic of the 2×4-cell superconducting accelerator structure.

基于高阶模、束载、能散、工作环境等方面的物理分析,我们对2×4-cell超导加速器进行了设计与制造.目前加速器已实现2 K下长时间稳定运行,平均加速梯度可达到10 MV/m以上,实现电子束增能6—8 MeV可调.

2.3 摇摆器和光腔系统

CTFEL包括一台Halbach结构的混合型永磁摇摆器,其周期长度为38 mm,有42个标准周期,间隙在18—32 mm之间可调,最小间隙下峰值磁场可达0.55 T.摇摆器机械驱动系统采用伺服电机和光栅尺闭环控制,间隙调节分辨率为1µm.单电子轨迹中心偏移小于0.1 mm.横向磁场好场区大于12 mm,好场区内磁场误差小于0.1%.

CTFEL采用光学谐振腔实现光场的受激增益,光场被束缚在腔镜之间的波导中,波导可有效降低传输损耗.光腔采用下游腔镜孔耦合输出,耦合孔直径为2.4 mm,耦合输出效率为2%左右(计算值).腔镜采用铜材料表面镀金,反射率优于95%.

3 THz光测试

3.1 实验布局及测试原理

THz传输光路如图4所示.THz由激光谐振腔下游腔镜耦合输出孔输出,再经过隔离真空环境和氮气环境的熔融石英输出窗进入扩束整形系统中,经过传输管道,穿过辐射隔离墙,进入到位于实验室用户间内的聚束收集系统(为标示简单,分别采用一块凹面镜标示整个扩束整形系统和聚束收集系统),经过聚束后穿过迈拉膜(Mylar)输出窗进入位于大气环境中的THz测量系统.

图4 THz传输光路示意图Fig.4.Layout of THz transmission.

THz测量系统光路如图5所示.THz由聚束收集系统的迈拉膜输出窗输出,传入功率计测量THz宏脉冲能量,透过功率计的THz光进入傅里叶光谱仪(Bruker VERTEX 80V型)进行频谱测量,在功率计表面反射的THz进入到高灵敏快响应的锗掺镓低温探测器中测量宏脉冲波形.

THz宏脉冲内平均功率测量采用Thomas Keating Instruments(以下简称TK)的功率计,该功率计在测量较低占空比时不能工作在功率测量模式,只能工作在能量测量模式.测量时激光照射在能量计窗口,THz光能量在探测器上沉积产生电压信号,电压信号的幅值与沉积能量的对应关系事先已经经过计量单位标定,标定系数为r=0.233 mV·µJ−1.利用示波器测量该电压信号V0,经过计算得到沉积在探测器上的能量E为

再利用示波器测量锗掺镓探测器得到的宏脉冲宽度τ,计算得到宏脉冲内的平均功率Pavg为

其中0.49是功率计上的能量吸收效率,T是功率计窗口的THz传输效率,η是由THz光腔耦合孔到达功率计的传输效率.高真空输出窗的材料为熔融石英,聚束系统输出窗材料为迈拉膜.由于这两种材料的透射率与THz波长有关,实验中需要对特定波长的两种窗口材料的透射率进行现场测量:将石英窗口插入功率测量光路中,得到探测器上的电压信号为V1,取出石英窗口,插入迈拉膜窗口,得到探测器上电压信号为V2,则有η=V1V2/V20.

图5 THz测量光路示意图Fig.5.Layout of THz measurement.

3.2 测量结果

在f=2.0,2.5,3.0 THz三个频率点附近选取三种输出状态,测量得到的CTFEL受激饱和功率输出如表2所列.测试过程中,由于装置保护系统尚未完成安装调试,因此选用脉冲宽度为1.0 ms或1.5 ms、重复频率为1 Hz的宏脉冲模式.

图6给出了CTFEL的功率和频率测量结果,其中图6(b)以1.99 THz为例给出了TK功率计上V0,V1和V2的结果,由此计算出到达单个宏脉冲的能量.图6中纵坐标S,U分别为相对强度、电压,横坐标t为时间.

表2 CTFEL受激饱和功率输出结果Table 2.Stimulated saturation power measurement of CTFEL.

通过锗掺镓探测器的宏脉冲信号可以测量宏脉冲长度和CTFEL的平均单程净增益.图7(a)给出了2.92 THz下的宏脉冲平顶,其前沿如图7(b)所示.由图7(a)可以看出,THz宏脉冲的长度略小于电子束的宏脉冲长度,这是因为装置宏脉冲状态下的低电平前馈系统尚未调试完成,宏脉冲前100µs的电子束无法受激饱和,饱和后在长时间尺度内微脉冲的功率一致性较差,1 ms以后信号趋于稳定,微脉冲束团间的功率一致性好于1%.这是因为低电平在较大束流负载时需要较长的稳定时间,这些不利因素将在未来CW工作状态下被消除.

图7(b)中将横坐标时间换算成光在光腔中经过的来回的次数(pass数),由此计算出在激光功率的指数上升区,平均单程净增益大于2.5%.

图6 频率与功率测量 (a)三个频率点的频谱;(b)1.99 THz下TK功率计波形Fig.6.Measurement of frequency spectrum and THz power:(a)Spectrum;(b)oscilloscope waveform of TK power meter at 1.99 THz.

图7 2.92 THz宏脉冲受激饱和输出波形 (a)THz宏脉冲信号;(b)宏脉冲前沿Fig.7.Stimulated saturation signal at 2.92 THz:(a)Macro-pulse signal;(b)the signal front of the macro-pulse.

微脉冲功率方面,由于缺乏THz自相关仪,因此不能准确测量纵向长度,采取下述方法进行估计:读取傅里叶变换光谱仪的时域信号,其时域干涉图类似于自相关曲线,做出其包络,包络半高全宽的倍近似为光的微脉冲半高全宽[37].图8所示为中心频率2.92 THz时取包络半高全宽的结果,横坐标z为光谱仪动镜造成的光程差,纵坐标为探测器相对信号,图中用三根横线分别表示干涉图的0点、最高位置和半高全宽位置,用两根竖线来表示半高全宽,测量得到光束的纵向半高全宽约为930 fs,此处的微脉冲能量约为331 nJ,微脉冲功率为0.36 MW.图中的时域干涉图误差较大,因此这一结果仅能作为估测结果.这一方法得到的纵向半高全宽与傅里叶变换光谱仪的频域结果看似存在矛盾,因为如图6(a)中的频谱,每一个峰的谱宽度都相对较窄,按照傅里叶变换的性质,时域上的光束长度就不可能这么短.实际上,由于采用的占空比过低,因此光谱仪的频谱信号是采用30 min多次测频谱平均得来,时域上由于宏脉冲之间存在时间抖动,长期的结果将使频谱收窄.在实验中,这一判断通过取不同时间长度进行测量得到了验证.

图8 2.92 THz微脉冲时域干涉图Fig.8.Time-domain interferogram of the micro-pulse at 2.92 THz.

4 结 论

中国工程物理研究院高平均功率THz自由电子激光装置采用谐振腔型技术路线,达到了自由电子激光受激饱和,并实现了THz输出频率可调.在1.99,2.41和2.92 THz三个频率点进行测试,THz宏脉冲内平均功率大于10 W,最高17.9 W.下一步,CTFEL将升级保护控制系统,争取早日实现CW运行,同时将开展装置用户实验,多渠道发掘该装置的应用潜力与推广前景,为各相关学科研究和THz辐射在其他高新技术领域的应用提供支撑.同时,在现有装置的基础上进一步拓展FEL波长范围,使其成为我国光源体系中的重要组成部分,推动我国THz技术的发展.

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