CN107623243A - 一种高功率太赫兹自由电子激光辐射源 - Google Patents

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黄瑞萱
何志刚
王琳
陆亚林
贾启卡
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Abstract

本发明公开了一种高功率太赫兹自由电子激光辐射源，包括电子枪，螺线管线圈，反射镜，激光脉冲串，行波加速管，功分器，功率源，移相衰减器和波荡器，激光脉冲串通过反射镜照射光阴极微波电子枪的阴极材料产生电子脉冲串，其被电子枪中的微波电场加速并通过螺线管线圈磁场聚焦后，进入行波加速管进行能散补偿，降低能散后的电子脉冲串进入波荡器产生高功率的太赫兹辐射，功率源通过功分器按照特定比例为电子枪和行波加速管分配微波功率，行波加速管中的微波电场幅度和相位通过移相衰减器进行调节，以获得最大的太赫兹辐射功率为优化目标。本发明辐射功率高：通过降低电子脉冲串能散，大幅提高太赫兹辐射的功率；结构紧凑；技术上容易实现。

Description

一种高功率太赫兹自由电子激光辐射源
技术领域
本发明属于电子加速器、自由电子激光领域，尤其涉及一种高功率太赫兹自由电子激光辐射源，其可应用于太赫兹科学技术领域。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10.0THz之间的电磁波，由于其具有穿透性、低光子能量、高带宽、谱指纹特性等诸多优点和独特优势，其在产业应用、国土安全、众多学科的基础研究等方面具有广阔的应用前景，因而受到国内外科学家的广泛关注。由于现有光源尚未完全覆盖该频段，故称THz间隙。因此，发展满足应用需求的太赫兹辐射源是相关领域的研究热点。
中国科学技术大学公开了一种基于自由电子激光的可调谐窄带宽紧凑型太赫兹辐射源：利用重复频率为太赫兹波段、且可调谐的激光脉冲串照射光阴极微波电子枪产生相应时间结构的高能(～12MeV)电子脉冲串，该电子脉冲串经过横向聚焦后通过波荡器，并在其磁场作用下进行周期性振荡从而产生太赫兹辐射；通过调节激光脉冲串的重复频率以及波荡器磁极间隙可以实现太赫兹辐射频率大范围连续可调【中国发明专利，申请号：CN201610048564.1】。
由于微波电子枪内的微波电场幅度与相位相关，处于不同相位的电子束遇到的电场强度的大小不同，而激光脉冲串所占的相位宽度较宽，因此光阴极微波电子枪出射的电子脉冲串的能散较大，即脉冲串中不同微脉冲之间的能量差别较大。而能散的大小，直接影响电子脉冲串在波荡器中激发的太赫兹辐射的功率，能散越小，辐射功率越大。
因此，发展以低能散电子脉冲串作为激发源的太赫兹自由电子激光源，可以提高太赫兹辐射的功率，对提升整个装置的性能具有重要价值。
发明内容
本发明提出了一种产生高功率太赫兹辐射的自由电子激光方案。其利用一根较短(～0.4m)的行波加速管补偿光阴极微波电子枪出射电子脉冲串的能散，从而提高太赫兹辐射的功率。
本发明采用的技术方案为：一种高功率太赫兹自由电子激光辐射源，包括电子枪，螺线管线圈，反射镜，激光脉冲串，行波加速管，功分器，功率源，移相衰减器和波荡器，激光脉冲串通过反射镜照射光阴极微波电子枪的阴极材料产生电子脉冲串，其被电子枪中的微波电场加速并通过螺线管线圈磁场聚焦后，进入行波加速管进行能散补偿，降低能散后的电子脉冲串进入波荡器产生高功率的太赫兹辐射，功率源通过功分器按照特定比例为电子枪和行波加速管分配微波功率，行波加速管中的微波电场幅度和相位通过移相衰减器进行调节，以获得最大的太赫兹辐射功率为优化目标。
其中，通过在光阴极微波电子枪与波荡器之间安装一根行波加速管，利用行波加速管中的微波电场补偿光阴极微波电子枪出射电子脉冲串的能散。
其中，行波加速管与光阴极微波电子枪可采用同一功率源***来提供微波功率。
其中，功率源提供的微波功率通过功分器按照一定比例分为两路，分别用于光阴极微波电子枪和行波加速管；微波功率馈入行波加速管之前，通过一套移相衰减器来调节行波加速管中的微波电场的相位及幅度，从而使得电子脉冲串的能散最小化。
本发明具有以下优点：
1.辐射功率高：通过降低电子脉冲串能散，大幅提高太赫兹辐射的功率。
2.结构紧凑：行波加速管安装于光阴极微波电子枪与波荡器之间的漂移段中，不占用额外的轴上空间。
3.技术上容易实现：本发明中使用的行波加速管技术成熟，容易实现。
附图说明
图1为本发明的一种高功率太赫兹自由电子激光辐射源示意图；
图2为不同纵向位置处的电场梯度(两段曲线分别为光阴极微波电子枪和行波加速管中的纵向电场梯度分布)示意图；
图3为电子脉冲串的二维分布示意图；
图4为电子脉冲串的群聚频率及群聚因子示意图；
图5为电子脉冲串的相对能散分布(灰色为光阴极微波电子枪出口处，黑色为行波加速管出口处)示意图；
图6为频率为1.09THz(基波)时能散补偿前后的功率对比图(实线为利用行波加速管进行能散补偿之后；虚线为能散补偿之前)；
图7为频率为2.17THz(二次谐波)时能散补偿前后的功率对比图(实线为利用行波加速管进行能散补偿之后；虚线为能散补偿之前)。
图中附图标记含义为：1为电子枪，2为螺线管线圈，3为反射镜，4为激光脉冲串，5为行波加速管，6为功分器，7为功率源，8为移相衰减器，9为波荡器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明的一种高功率太赫兹自由电子激光辐射源示意图，包括电子枪1，螺线管线圈2，反射镜3，激光脉冲串4，行波加速管5，功分器6，功率源7，移相衰减器8和波荡器9，激光脉冲串4通过反射镜3照射光阴极微波电子枪1的阴极材料产生电子脉冲串，其被电子枪中的微波电场加速并通过螺线管线圈2磁场聚焦后，进入行波加速管5进行能散补偿，降低能散后的电子脉冲串进入波荡器9产生高功率的太赫兹辐射。功率源7通过功分器6按照特定比例为电子枪和行波加速管分配微波功率，行波加速管中的微波电场幅度和相位通过移相衰减器8进行调节，以获得最大的太赫兹辐射功率为优化目标。
通过优化，设定的电子枪和行波加速管中的微波电场梯度如图2所示。当激光脉冲串的参数为：脉冲个数16个、微脉冲之间的间隔为1皮秒(10-12s)时，其激发出的电子脉冲串经过加速后的二维分布情况如图3所示，对应的电子脉冲串频率及群聚因子如图4所示：基波频率为1.09THz、二次谐波频率为2.17THz。
图5分别给出了电子脉冲串在光阴极微波电子枪出口处，以及在行波加速管出口处的相对能散情况。可以看出，经过行波加速管补偿之后，电子脉冲串的相对能散大幅降低。调节波荡器磁极间隙，使得波荡器共振频率与电子脉冲串的群聚频率基波重合，图6给出了通过行波加速管补偿能散前后的太赫兹辐射功率对比情况；使得波荡器共振频率与电子脉冲串的群聚频率二次谐波重合，图7给出了通过行波加速管补偿能散前后的太赫兹辐射功率对比情况。可以发现，经过行波加速管补偿能散之后，太赫兹辐射功率可以大幅提高。

Claims (4)

1.一种高功率太赫兹自由电子激光辐射源，其特征在于：包括电子枪(1)，螺线管线圈(2)，反射镜(3)，激光脉冲串(4)，行波加速管(5)，功分器(6)，功率源(7)，移相衰减器(8)和波荡器(9)，激光脉冲串(4)通过反射镜(3)照射光阴极微波电子枪(1)的阴极材料产生电子脉冲串，其被电子枪中的微波电场加速并通过螺线管线圈(2)磁场聚焦后，进入行波加速管(5)进行能散补偿，降低能散后的电子脉冲串进入波荡器(9)产生高功率的太赫兹辐射，功率源(7)通过功分器(6)按照特定比例为电子枪和行波加速管分配微波功率，行波加速管中的微波电场幅度和相位通过移相衰减器(8)进行调节，以获得最大的太赫兹辐射功率为优化目标。
2.根据权利要求1所述的一种高功率太赫兹自由电子激光辐射源，其特征在于：通过在光阴极微波电子枪与波荡器之间安装一根行波加速管，利用行波加速管中的微波电场补偿光阴极微波电子枪出射电子脉冲串的能散。
3.根据权利要求1所述的一种高功率太赫兹自由电子激光辐射源，其特征在于：行波加速管与光阴极微波电子枪可采用同一功率源***来提供微波功率。
4.根据权利要求1所述的一种高功率太赫兹自由电子激光辐射源，其特征在于：功率源提供的微波功率通过功分器按照一定比例分为两路，分别用于光阴极微波电子枪和行波加速管；微波功率馈入行波加速管之前，通过一套移相衰减器来调节行波加速管中的微波电场的相位及幅度，从而使得电子脉冲串的能散最小化。
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