X射线自由电子激光偏振控制的物理机制与诊断技术研究

Polarization control of X-ray free-electron lasers (FEL) is of great importance and interest. Recently, the polarization of EUV and X-ray FEL pulses have been successfully switched and delivered to users at FERMI and LCLS, respectively, which opens a new door to both FEL machines and scientific users. Therefore, this Grant mainly investigates the polarization control of X-ray FEL. On the basis of theoretical analysis and numerical calculation, the currently existing and new proposed schemes for X-ray FEL polarization control will be considered, in order to satisfy the strong demands from the X-ray Circular Dichroism and time-resolved pump-probe experiments. At the same time, according to the early results from the international colleagues and the applicant self, key technologies for X-ray FEL polarization control such as the microwave undulator with variable polarization and the X-ray polarimeter based on the angular distribution of photoelectrons will be studied and constructed. The results of this Grant may pave the way to user facility for the soft X-ray FEL test facility under construction in China.

X射线自由电子激光（FEL）的偏振控制是近年来兴起的一个重要研究方向，国际上，意大利FERMI和美国LCLS在偏振控制方面取得成功，并先后投入用户实验运行，给X射线偏振光学及实验方法学带来了新的发展机遇。本项目以软X射线FEL的偏振控制为研究对象，以理论分析和数值计算为手段，通过与PEHG、大带宽FEL等新原理的创新结合，全面研究X射线FEL偏振控制的各种机理，从而满足X射线二色性实验和时间分辨实验的用户需求。另一方面，参照国际发展趋势、以及申请者及所在团队在FEL偏振控制方面的研究基础，本项目拟在圆偏振微波波荡器和基于次级电子角分布的X射线偏振态测量两个关键技术上有所突破，研制样机。本项目拟为我国建设中的FEL大科学装置的性能提升进行理论和技术储备，从而更好地服务于基础前沿领域的科学用户。

本项目研制目标是在圆偏微波波荡器和基于次级光电子角分布的x射线偏振态测量两个关键技术上有所突破和开展样机的研制、测试。为我国建设中的自由电子激光（FEL）大科学装置的性能提升进行理论和技术储备，更好的服务于基础前沿领域的科学用户。课题组经过四年研究，在FEL理论研究、圆偏微波波荡器及x射线偏振态测量取得了较大的进展，并完成了项目指标要求。课题组基于上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）运行参数，开展了系列工作。首先,开展了x波段微波波荡器样机的理论设计、加工与测试的工作。实验上电场分布趋势与理论结果一致，-3dB和波导组合的相位差为89.015度，传输分别为-4.09dB和-3.138dB，整体组装测量的Q值为20934。验证了腔式微波波荡器的可行性；基于椭圆极化波荡器（EPU）的偏振控制及快速切换方案的研究；完成了基于光电子角分布的X射线偏振态测量仪样机的理论设计与加工，并对机械真空、后端电子学及探测器响应进行离线测试，满足X射线FEL脉冲偏振态测量需求，并在偏振测量基础上，开展了基于偏振仪的位置测量研究及基于位置的偏振度优化研究；采用电子束团过压缩的方法，首次通过高维多目标优化算法优化加速器运行参数，得到5\%带宽的X射线FEL脉冲；并在此基础上设计了单脉冲覆盖全谱的高效率X射线谱学实验、磁圆二色性实验方案。