基于合肥光源电子储存环发展回声谐波型谐波放大自由电子激光的相关理论研究与物理设计

Echo enabled harmonic generation(EEHG) free electron laser has been an emerging subject in the field of free electron laser due to its ability on higher harmonic. At present, NLCTA device at SLAC and SDUV-FEL device at SINAP have both experimentally achieved higher harmonic using this method. However, they are based on linac. In recent years, SOLEIL Light Source and DELTA Light Source have carried out some preliminary explorations on storage ring based echo enabled harmonic generation free electron laser. These researches laid a foundation for the development of this technology. In this subject, we make use of the advantage of low energy and short circumference at Hefei Light Source to carry out the theoretical analysis and physical design of EEHG free electron laser. We will not only design the echo parameters, but also optimize the physical parameters of storage ring and estimate how much influence of the echo on the ring. At last, a scheme for storage ring based EEHG free electron laser will be given through simulation. This will lay the first stone for experiments of EEHG free electron laser on storage ring in the future.

回声谐波型谐波放大自由电子激光由于其能够产生高次谐波的特性已经成为了自由电子激光领域的一门新兴课题。目前，SLAC实验室的NLCTA装置以及上海应用物理研究所的SDUV-FEL装置上均利用这种方法从实验上获得了高次谐波。然而这些研究都是基于直线加速器来完成的。近几年SOLEIL光源和DELTA光源利用储存环开展了回声谐波型谐波放大自由电子激光的前期探索，这些研究为基于储存环的回声谐波型谐波放大自由电子激光的发展奠定了基础。本课题我们将利用合肥光源的低能量、短周长特性开展回声谐波型谐波放大自由电子激光的理论分析以及相关的物理设计。项目的研究中我们不仅对echo参数进行设计,也对储存环的物理参数进行优化并且计算出echo对储存环性能的影响。最后通过模拟计算给出一个基于储存环的回声谐波型谐波放大自由电子激光方案，为今后在储存环上开展该类型自由电子激光的实验奠定基础。

自2009年G. Stupakove在Phys. Rev. Lett报道了一种产生高次谐波的回声谐波型谐波放大自由电子激光(EEHG FEL)理论后，世界上各大加速器实验室纷纷开展了EEHG FEL 的相关研究。在这种背景下我们提出了基于合肥光源电子储存环开展回声谐波型谐波放大自由电子激光的理论研究及模拟设计，并希望通过这一研究为今后的基于储存环的EEHG FEL 试验奠定基础。本课题我们首先开展了储存环束流不稳定性方面的研究，即在低动量紧缩因子模式下通过加入谐波腔的方法来提高束流流强。这一研究也是解决储存环EEGH FEL中低流强的关键技术。其次开展了储存环聚焦结构的设计，我们通过低动量紧缩因子聚焦结构的设计，使传统EEHG FEL 中的两个chicane均由储存环本身的磁铁结构来实现。这样可以重复利用波荡器，使传统EEHG FEL 中的两个波荡器用一个波荡器即可实现。同时，相对于直线加速器EEHG FEL方案，基于储存环的EEHG FEL方案具有更高的重复频率，这也是本项研究的难点和创新点。最后我们给出了一套在合肥光源上实现EEHG FEL的设计方案以及关键参数。设计过程中我们还发现，当储存环的线性传输矩阵中的矩阵元R51，R52非常接近零的时候，水平工作点会整数共振。通过理论分析和大量的模拟跟踪我们利用800nm的种子激光，在合肥光源电子储存环上实现了26次谐波辐射，即得到了31nm的真空紫外波段的光脉冲。由于这项基于储存环的回声谐波型谐波放大自由电子激光方案不需要额外的chicane或者by pass，不需调节原来磁铁位置，仅仅调节储存环四极的铁强度就可以在radiator中获得高次谐波辐射。因此，这项理论研究为储存环EEHG FEL 试验的开展提供了理论依据，并且设计的方案具有实际可行意义。