同步辐射光束线中的相干传输研究

第三代同步辐射光源以插入件光源为主，具有高亮度和高相干性的特点，新一代同步辐射光源-X射线自由电子激光是全相干光，具有更优良的相干性能。目前世界上已经建立了许多利用光束相干性能的光束线，并开展了很多利用相干光进行的研究。在光束线的建设中，光束追迹可以模拟光束通过多个光学元件之后的情况，并且可以精确计算光束通过非平面元件的传输，因此对光束线的设计非常重要，是解析方法无法替代的；现有的光束追迹软件建立在将光束粒子化的基础上，从几何光学出发模拟光束的运动情况，这种方法只能模拟非相干情况下的光强分布，不能模拟相干光在传输中的光强和相位分布，无法满足新一代相干光束线的设计要求。我们在本项目中提出从波动光学出发，建立一种相干光在光束线中的传输理论，并引入合理的近似，提出一种可行的模拟算法，以此开发一套模拟软件，替代传统的几何光学追迹方法，满足相干光束线建设中的设计需求。

在光束线设计中，需要了解具有相干性的X光经过光束线传播之后相干性能的变化，从而优化光束线设计。本项目中我们从统计光学出发，提出了一种新的研究部分相干光的传播模型：用互强度描述部分相干光，并采用离散化的方式分割波前，然后进行相干叠加，建立互强度的传播模型。本模型的优点是直接研究部分相干光的传播，不需要先分析完全相干光的传播，再利用强度相加的方式。采用离散化处理的优点，是可以在离散点取的比较多的条件下，降低对远场近似和有限发散角的要求，在更普遍的情况下分析部分相干光的传播性质，当然这也会对计算量提出更高的要求。基于本模型，我们开发了一套软件，用于模拟部分相干光在光束线中传播之后相干性的变化，为设计同步辐射高相干性光束线站提供了理论依据和参考。.基于该模型，我们进行了如下工作：（1）分析了部分相干光的传播特性，包括传播距离、光源相干长度、光源尺寸等因素对相干性能的影响。发现对于部分相干光，其相干性能对距离、光源相干性和光源尺寸的依赖与完全非相干光和完全相干光不同，而且不能简单的用两者的插值进行近似，利用我们的软件可以定量的描述部分相干光的传播。（2）为了验证模型的正确性，在上海光源软X射线干涉光刻分支线站BL08U1B进行了相干衍射实验，利用该模型对实验结果进行了模拟和定量分析。模拟结果表明，该模型能够准确地模拟BL08U1B的相干衍射图样，计算结果和实验数据符合较好。(3) 在上海光源的新建光束线—梦之线的设计中应用本模型对相干性进行了分析，如果采用传统的非相干追迹，在光斑尺寸的计算上存在一定的偏差，而采用本模型从相干光的角度出发，得到的结果更加准确，对光束线的设计起到了指导和帮助作用。（4）进一步，为了描述非单色光的传播特性，我们从交叉谱密度出发，建立了部分相干光的传播模型，考虑不同频率成分的单色光的传播，然后进行叠加，从而获得宽带光的传播性质。