相位汇聚型外种子自由电子激光的理论与实验研究

In recent decades, there has been an increasing interest in the development of x-ray free electron lasers (FELs), known as the fourth generation light sources, capable of enabling new areas of science.To improve the temporal coherence of FELs, various techniques employ frequency up-conversion of external seed sources via electron beam density modulation. However, the energy spread of the beam may hinder the harmonic generation efficiency. Here the applicant and his collaborators propose a novel technique called phase-merging enhanced harmonic generation (PEHG) for significantly improving the frequency up-conversion efficiency of a seeded FEL with relatively small energy spread, which proves the way for fully coherent soft x-ray generation through a single stage seeded FEL scheme. In this grant, intensive studies of the PEHG by theoratical analysis and numberical simulations are expected. Moreover, we want to perform the world-first proof-of-principle experiment for PEHG based on the Shanghai deep ultraviolet FEL (SDUV-FEL) facility. It is hoped that our study will be useful for the future x-ray FEL projects in China.

近些年来，作为第四代同步辐射光源的自由电子激光（FEL）受到了国际上的广泛重视。FEL具有极高的时间空间分辨率，能为多种学科开辟全新的研究领域。为提高FEL的时间相干性，人们已经提出了多种基于外种子的谐波转换型的FEL运行机制。然而，电子束的能散限制了这些运行机制的谐波转换效率。本项目申请人及合作者最近提出了一种新的外种子型FEL的运行机制- - 相位汇聚谐波放大（PEHG），这种新原理利用电子相位汇聚效应，可在引入较小能散的前提下大幅度提高谐波转换效率，从而为产生全相干的X射线FEL开辟了全新的途径。在本项目中，我们计划用理论和模拟的方法对PEHG进行全面的研究，掌握PEHG的特性及对电子束的要求。更为重要的是，我们计划以我国唯一的高增益FEL装置- - 上海极紫外自由电子激光为平台，开展世界首个PEHG的原理验证性实验，为中国即将建设的X射线FEL装置提供全新的技术路线。

自由电子激光（FEL）是新一代的同步辐射光源，能为多种科学研究提供前所未有的研究工具。外种子型FEL是产生全相干短波长辐射的一种有效途径，然而电子束能散限制了外种子型FEL的谐波转换效率，本项目申请人及合作者提出了一种新型的外种子型FEL产生原理——相位汇聚型FEL（PEHG），能有效克服电子束能散对谐波次数的限制，本项目即是对PEHG-FEL和相位汇聚原理进行理论、实验和关键技术研究，拓展其应用并提出其他新型的高增益高次谐波FEL产生原理。.在本项目的支持下，我们对PEHG-FEL和相位汇聚原理开展了系统的理论研究，提出了采用激光斜入射实现PEHG的简化方案，并拓展相位汇聚原理到直线加速器中，用于抑制微束团不稳定性效应。同时我们基于上海深紫外自由电子激光试验装置（SUDV-FEL）和上海软X射线自由电子激光试验装置（SXFEL）给出了PEHG的实验方案设计，设计中发现PEHG的谐波转换效率会受到实际装置参数和布局的影响，为尽量增加高次谐波转换效率，我们提出了新型的dogleg结构，更进一步地，我们提出了基于角色散增强高次谐波辐射的新机制，并发现此种新机制能够避免上述问题并能在极低的能量调制深度下获得极高的谐波转换次数，这使得此种机制在储存环FEL和EUV光刻领域具有广泛的应用前景。.在关键技术方面我们成功研制了国际上首台应用于FEL的横向梯度波荡器（TGU），提出了新型的横向梯度场实现方案和磁场补偿方案并在技术上实现，我们在TGU方面的研制经验已成功应用于激光等离子加速FEL装置上。.在PEHG实验方面，我们基于SDUV-FEL搭建了实验线，并基于SXFEL开展了初步的测试实验，实验结果表明PEHG对电子束品质要求较为苛刻，满足高次谐波转换的实验条件会给电子束引入较大的横向不稳定性，未来需进一步研究解决此问题的新方案。.本项目发展了外种子型FEL新原理，开辟了储存环FEL新的研究方向，在自由电子激光中电子束操控方面取得了国际领先的成果，发表学术论文23篇，其中SCI论文18篇，培养博士研究生三名，硕士研究生一名，本项目在TGU设计制造和PEHG实验研究方面的经验将为我国多个FEL大科学装置的设计、建设和调试提供重要的参考。