基于移相器的同步辐射偏振态快速切换研究

Polarization control of synchrotron radiation has great application prospects in material and biology. Different kinds of undulators have been developed to achieve arbitrary polarization control. However, there is still strong demanding for further improvement on the speed of polarization switching of synchrotron radiation, such as X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) which requires the light source have a high switching speed (kHz) between left-hand and right-hand circularly polarization for detecting spin and orbital moment in material. The switching speed for the soft X-ray synchrotron radiation is low by means of adjusting the electron bunch orbit or undulator. While, the switching speed can be remarkably improved by changing the phase rapidly, which has little impact on the orbit of the electron bunch. On this context, we propose to study the polarization control both in free electron laser and electron storage ring at soft X-ray. Various schemes which combine a series of phase shift with cross-undulator and variable polarization undulator will be theoretically studied in order to achieve fast switching on arbitrary polarization with high quality of radiation. Our studies will offer new prospects for developing the fast polarization switching of synchrotron radiation.

同步辐射的偏振态控制在材料科学、生命科学等领域具有重要应用价值，目前已发展了不同类型的波荡器来实现任意偏振态的操控。然而在偏振态快速切换方面，相关学科的发展进一步提高了对切换速度的要求，比如应用于材料科学的X射线磁性圆二色性(XMCD)，需要光源在左旋圆偏振和右旋圆偏振之间具有极高的切换频率(kHz)来测量原子自旋和轨道矩等信息。在同步辐射光源的软X射线波段，调节电子束轨道及波荡器等方法所能实现的偏振态切换频率有限，而快速改变相移则可显著提高偏振态的切换频率，同时不对电子束的轨道产生较大影响。本项目正是在此基础上，分别在软X射线波段的自由电子激光和储存环型光源上研究偏振态的操控，对基于移相器的正交型波荡器和可变偏振波荡器的物理理论和方案进行深入的研究，探索实现任意偏振态的快速切换并维持高品质的偏振光，为实现偏振态的快速切换提供理论支撑和技术参考。

同步辐射的偏振态控制与偏振态切换在材料科学、生命科学等领域具有重要应用价值，目前已发展了多种波荡器来实现高偏振度的线偏振与圆偏振同步辐射光。在偏振切换中，常规波荡器的机械切换与电磁切换等方法只能实现Hz级别的切换速度，而相关学科的发展进一步提高了对切换速度的要求(kHz-MHz)。快速改变相移对电子束影响较小，可显著提高偏振态的切换频率。本项目在此基础上，在储存环型光源的软X射线波段开展了偏振控制的理论研究工作。基于移相器，完善了可同时实现线偏振或圆偏振快速切换的串联型正交波荡器物理机制，发展了包括准周期和不对称场模式的平面型不对称磁极波荡器，进一步提出了一类新型可变偏振波荡器来实现任意偏振方向的波荡器辐射并始终维持极高的偏振度和极低的轴上热负载，包括FIGURE-8和KNOT这两种不对称磁极可变偏振波荡器。目前，我们已完成了相应的新型波荡器方案/机制的初步设计，将考虑应用至合肥先进光源中的两条线站上。鉴于相关应用学科的广泛需求，本项目的研究成果同样有望应用至国内外的其他四代光源上。此外，通过优化波荡器之间的相移或校正铁，还发展了一种新方案来提高自由电子激光的辐射效率，提出了一种超短脉冲红外FEL的运行模式并成功孵化了一个基金委的专项子课题。相关研究成果可为实现偏振控制与快速切换提供必要的理论支撑和技术参考，有望为材料科学、生命科学等领域带来新的机遇。