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美国JLab的自由电子激光
时间 : 2011-06-22     

美国JLab的自由电子激光


美国托马斯杰斐逊国家加速器装置TJNAF(Thomas Jefferson National Accelerator Facility),俗称杰斐逊实验室(Jefferson Lab)或JLab。JLab位于美国弗吉尼亚州纽波特纽斯(Newport News),是美国能源部科学局下属的国家实验室。

JLab的自由电子激光器是一个亚皮秒光源,覆盖范围从250纳米的紫外至14微米中红外可调谐,脉冲能量达300 mJ,重复频率达75 MHz。并非所有的参数都可同时满足,但10 kW的平均功率已在红外被证明。

JLab的自由电子激光器基于一种称为能量回收型的直线加速器。电子从左下方的源释放,并且在超导直线加速器中加速。从这个直线加速器出现后,电子通过一个在其中心有扭摆磁铁的激光腔。这个扭摆磁铁引起电子振荡,发出光,该光在腔内被捕获,用来诱导电子放射出更多的光。退出光学腔后,电子然后沿着顶部回路回到直线加速器。在这里,它们将自己的大部分能量给到新一批的电子,使该过程高度有效。

   

JLab自由电子激光器位置示意图

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JLab自由电子激光实验楼

上层是实验室,自由电子激光器在下层

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JLab自由电子激光原理图

   

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JLab原自由电子激光器示意图

该激光器始于1 kW的自由电子激光器演示计划,1999年8月完成调试,2001年停止使用。1999年10月,2000年2月、7月和10月,2001年2月、6月、8月和10月,作为用户装置运行,为大约30个组提供用户束流约3000小时。

JLab原自由电子激光器参数 

平均功率

1720

波长范围

3-6.2 微米

微脉冲能量

高达70 微焦耳

脉冲长度

0.5-1.7 皮秒

脉冲重复频率

74.85, 37.425, 18.7 MHz

带宽

0.3-2%

振幅抖动

< 10% p-p

偏振

>6000:1

横向模式

< 2x 衍射极限

在实验室的束流直径

1.5-3.5 cm

 

在准备将升级到10 kW的功率水平前,该激光器达到了两倍于设计水平的2.1 kW的功率输出。2004年7月21日,在6微米的波长取得了10 kW的连续光。2006年10月30日在1.6微米取得14.2 kW的连续光。因为在红外线波段得到如此高的输出功率,波长越短就越困难。因此这是一个很大的成功,取决于极具创新的设计,克服了在达到如此高的功率的过程中遇到的种种困难。由于最初证明原理的光源能力超过既定的传统光源的能力,所以最初的实验产生了100篇论文,登载在重要期刊上。

计划将自由电子激光在紫外线扩展为250纳米。电子的短脉冲还产生几百瓦的宽带太赫兹光,这种光在一个特殊的用户实验室提供。

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FEL的注入器与直线加速器

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FEL的扭摆器

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FEL的电子回收段

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FEL的低温组件及束线

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FEL的控制室与用户实验室

JLab自由电子激光器覆盖了从紫外线250纳米至中红外14微米范围,脉冲能量高达300微焦耳,重复率高达75兆赫。并非所有的参数都可以同时满足,但在平均超过10千瓦的功率已在红外得到证明。

       

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     光源功率是波长的函数

 

JLab自由电子激光输出光参数

 

红外分束

紫外分束

波长范围 (微米)

1.5 - 14

0.25 - 1

束团长度 (半高宽 皮秒)

0.2 - 2

0.2 - 2

激光能量/脉冲 (微焦耳)

100 - 300

25

激光功率 (kW)

> 10

> 1

重复率 (连续波运行,MHz)

4.7 - 75

4.7 - 75

 

JLab自由电子激光电子束参数

 

红外分束

紫外分束

能量 (MeV)

80-200

200

电荷/束团 (pC)

135

135

平均电流 (mA)

10

5

峰值电流 (A)

270

270

束流功率 (kW)

2000

1000

能散度 (%)

0.50%

0.13%

归一发射度 (mm-mrad)

<30

<11

致能散(全)

10%

5%

 

JLab(宽带)THz光束线参数

波长范围 (THz)

0.1 - 10

脉冲长度 (ps)

0.2 - 2

能量/脉冲 (微焦耳)

2

重复率

1 Hz - 75 MHz

总功率 ()

150

 

自由电子激光器的改进能够使其在更广的波长范围内运行,即从紫外0.25微米到15 微米,平均功率高到10000瓦,可调性更快。

增加两个超导直线加速器部件,改进后的装置能量从 40 MeV 提高到160 MeV,束流的平均电流从 5 mA提高到 10 mA,通过采用光学速调管,使引出效率提高2倍。紫外线区,将采用单独的光学腔体和扭摆磁铁。

 

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自由电子激光器升级示意图

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红外光束线(左侧)与紫外光束线(右侧)

2010年8月19日,紫外自由电子激光器获得第一个700纳米的激光波长,并迅速达到了100 W的功率水平。随后,在2010年8月31日,激光波长达到400纳米,当天晚些时候降到363纳米。

2010年12月9日,紫外自由电子激光器首次成功产生10 eV的光子。运行在基波370纳米的紫外演示自由电子激光器上的孔耦合输出镜将真空紫外谐波光传送到校准的真空紫外二极管。对每10eV微脉冲中5纳米焦耳完全相干光(39光子)进行测量,约占基波能源的0.1%,符合预期。至12月底,波长达到124纳米。

这项研究奇迹将为许多以前无法进行的研究打开一扇大门。例如,可以用来测定物质的年龄,这些物质存在的时间可能超出了碳元素年代测定法可以测定的年代。放射性碳测定法使科学家能估算很多年龄超过6.2万岁的物质的年代。放射性氪测定法使科学家能测定10万到100万年前的物质,而从自由电子激光器发出的这种10 eV的光可以产生亚稳定的氪原子。另外,这种方法有助于研究海洋环流模式,并且绘制出地下水的运动情况,同时测算极地冰的年代。

2011年2月28日,自由电子激光器的紫外光从楼上被引到实验室的光传输系统,首次进入用户实验室4。从2011年3月1日起,把真空紫外光送到用户实验室1用于表征和以备未来之用。

JLab率先开发利用电子束开展核物理研究的超导技术,现在也服务于利用光进行科学研究:生物、医学、化学、环境科学、材料科学、凝聚态物理和纳米技术。

一项极富挑战的方案已经到位,即将自由电子激光的脉冲缩短到阿秒范围,以满足波长可完全调的器件中的时间前沿和高磁场。升级后的自由电子激光也将包括kW规模的紫外线能力。

JLab自由电子激光参数

波长范围 (红外)

1-14μm

能量/脉冲

120 μJ

脉冲重复频率

Up to 75 MHz

脉冲长度

500-1700 fs FWHM

最大平均功率

>10 kW

波长范围  (紫外/可见光)

250-1000 nm

能量/脉冲

20 μJ

脉冲重复频率

Up to 75 MHz

脉冲长度

300-1700 fs FWHM

最大平均功率

>1 kW

 

自由电子激光在科学、工业和国防上具有广泛的应用

 

中国科学院大科学装置办公室    资料来自http://www.jlab.org/