基于多脉冲束团序列的高功能化hz辐射研究进展

基于多脉冲束团序列的高功能化hz辐射研究进展

基于处理器的普通电子束可以通过相干同步辐射（csr）、相干过渡辐射（ctr）和自由电子激光（fel）产生高工作率的thz辐射。根据辐射频率谱，可分为宽谱thz和单频thz辐射。基于直线加速器的CTRTHz辐射脉冲能量可达100μJ,辐射频谱0.1THz~10THz,辐射电场幅值可高达MV/cm,在非线性太赫兹光谱、新奇量子效应等一系列前沿研究领域中有重要应用。清华大学加速器实验室近10年来一直致力于进行基于汤姆逊散射超短脉冲硬X射线源的研究,建成~50MeV直线电子加速器,其中包括新一代的1.6-cell光阴极微波电子枪和3m长的SLAC型行波加速管,以及飞秒太瓦激光系统等,目前实验已经获得超过单脉冲106个光子的超短硬X射线。基于该实验平台,还开展THz辐射源技术的研究,如图1所示,可同时产生宽谱高梯度和准单频可调的THz辐射。相比于美国SLAC、德国DESY、韩国PAL等加速器装置,清华大学THz源具有规模较小、结构紧凑的特点。本文将介绍基于清华大学加速器实验平台的THz源的模拟与实验研究情况。清华大学加速器实验室基于CTR辐射机制,分别从高峰值流强的单电子束团和预调制的多束团序列出发,致力于发展宽谱高功率和准单频可调谐THz源。模拟研究表明,在已有束线上,采用临界速度压缩,可以得到单脉冲能量大于20μJ的THz辐射;通过将THz靶屏移到漂移段之后更远的位置,采用行波加速管速度压缩的欠压缩模式,结合漂移压缩,可以获得十几飞秒、几百pC电荷量的单电子束团,对应0.1THz~30THz的超宽谱THz辐射,单脉冲辐射能量可达50μJ,该方案即将进行实验验证;此外,在新一代的高梯度光阴极枪的基础上,结合实验室的紫外驱动激光整形技术,模拟验证了基于束团序列实现高功率可调谐的单频THz源实验的可行性。在实验研究方面,基于现有束线装置,已获得脉冲能量18μJ的THz辐射输出;另外,利用脉冲堆积技术进行驱动激光整形已进行了实验验证,并通过高频偏转腔实现了超短多电子束团序列的纵向分布测量。1束流动力学模拟清华大学直线加速器平台如图1所示,在磁压缩器安装之前,整条束线主要采用行波加速管的速度压缩进行束团长度的压缩和束流流强的提高。该平台也是汤姆逊散射X射线源(TsinghuaThomsonscatteringX-raysources,TTX)的注入段,TTX主要用于超快、高亮度的先进X射线成像与应用。在该实验平台上,还可以开展MeV超快电子衍射(MeVUED)、THz辐射产生与应用、等离子体尾场加速研究。本文主要介绍基于该平台的THz辐射源技术研究进展。本文模拟工作主要通过束流动力学模拟软件ASTRA设计与优化束线的运行参数。首先给出现有实验束线(CTR靶屏在加速管附近,束线位置6.5m处)的单束团模拟结果;进一步讨论将靶屏移至束线10.5m位置的超宽谱THz辐射模拟;最后介绍多电子束团预调制方案,并给出对应的可调谐的单频THz频谱。模拟结果将为清华大学THz辐射源平台建设提供参考。1.1高斯束团的ths频谱特征实验装置中,经过3m行波加速管之后,超短相对论电子束团穿透45°倾斜放置、厚度为1mm的金属铝靶,将产生相干的THz辐射。CTR的能谱表达式如式(1):式(1)中的变量是频率f,THz辐射能量可以通过对Ub(f)在全频谱下积分获得。N表示电子束团内的粒子数目,Ue(f)是单个电子的渡越辐射能量,在THz辐射波段可看作不随f变化的不变量。F(f)也称为归一化的形状因子,是束团纵向分布的傅里叶变换:其中s(z)是归一化的电子束密度分布,为电子纵向位置z的函数,c为真空中光速。对单束团来说,束团包含电荷量尽可能高,束团长度应尽可能短,以获得更宽的频谱和更高的太赫兹辐射能量,从而实现高峰值功率的辐射输出。如果靶屏处的高斯束团均方根(rootmeansquare,rms)长度为100fs,对应的THz频谱截止频率~3THz。(定义宽谱的截止频率fc:截止频率对应的能量为峰值能量的10%,fc在数值上可等同于频谱范围)。1.2tx源的压缩和谱开放对于高电荷量的电子束团,由于空间电荷力效应、磁压缩器的二阶效应等,很难将百pC电荷量的束团压缩至百飞秒,因此对于单束团产生的THz源,一般辐射频谱限制在~1THz附近,很难拓展到5THz以上。1.2.1ths风速控制策略的优化已有的实验束线如图1所示,太赫兹辐射靶屏位于加速器出口位置仅2m。通过扫描束团的电荷量、初始分布,光阴极枪加速相位、加速梯度,3m加速管的加速梯度,螺线管聚焦强度等参数,获得用于高功率THz的优化工作点,如表1所列。在束线运行中,主要采用优化行波加速管速度压缩相位的方式,使得靶屏处的束团rms长度尽可能短,如图2所示。图2的曲线说明,在靶屏处,不同电荷量束团rms长度随行波加速管的相位变化具有相同的趋势:均存在优化的相位,使得束团纵向长度达到最短,将这种相位下的压缩称为临界压缩模式。压缩曲线右方,靠近–80°的相位上,束团长度在加速器出口处压缩不足,尾部粒子未完全追赶上头部,称为欠压缩模式,而曲线左方,靠近–100°的相位上,加速器出口处束团尾部粒子反超过头部,束长变长,处于过压缩模式。不同的电荷量对应的临界压缩相位不同,电荷量越小,最终的压缩长度也越短。为了尽可能获得高功率、宽频谱的THz辐射,需要同时优化电荷量和束团长度。采取临界压缩模式,进一步调节工作参数,可得到优化后的THz频谱与脉冲能量模拟结果,如表2所列。从表2中看出,束团电荷量越大,对应的THz辐射能量越强。在1nC电荷量下,THz辐射能量达26μJ。但辐射能量与电荷量并不满足平方增长关系,主要原因是电荷量越大,空间电荷力越强,束团越不容易被压缩。结合图2与式(2)可知,电荷量越高,束团越长,此时对应THz频谱范围也越窄。1.2.2束团体积长度对比超宽谱THz可应用于不同材料的检测,同时可用于材料的非线性光学研究。为进一步扩展清华加速器平台所产生THz频谱范围,提高单脉冲辐射能量,拟采用的新方案中,将改进束线中的靶屏位置,从6.5m处移到10.5m,同时采用欠压缩模式来进行速度压缩。原理上,欠压缩模式下,束团在加速器出口仍然具有正的能量chirp,尾部粒子能量比头部高,经过长漂移段的色散作用后,在漂移段终点的位置上束团的尾部完全追赶上头部,束团长度达到最小,由于此时的电子束能量较高,空间电荷力效应较小,束团被大幅压缩,纵向得到近似δ函数的尖峰分布。图3给出了2种压缩模式下的束团长度与形状因子的对比:在欠压缩模式下,束团纵向分布拖尾较长,拖尾粒子会降低高频分量,但这部分粒子密度较低,影响较小。图3以0.7nC的束团为例,大于70%的粒子将集中在rms长度仅~30fs的尖峰包络内,对应10THz的超宽谱辐射。根据文献的结果对不同电荷量束团进行束线全参数扫描与优化,结果表明,当团电荷量为0.4nC~0.6nC时,截止频率为15THz~25THz,THz脉冲能量可达60μJ以上。进一步降低电荷量,可以实现0.1THz~30THz的超宽谱辐射。1.3光催化氧化后的光子极驱动激光整形根据公式(2),束团的纵向分布决定了频谱的形状。对于周期性的ps间隔的高斯束团,可以产生谐波分量强度递减的准单频THz辐射,频谱分布可通过电子束团序列的参数调节。通过α-BBO双折射晶体序列的选择与调整,可以对紫外驱动激光进行脉冲堆积,实现脉冲长度与间隔的调节,从而实现对电子束团序列的调整。利用整形后的激光驱动光阴极,电子束团序列的初始分布将与激光的分布相同。光阴极驱动激光整形原理如图4所示。为了保持初始束团的规则分布,必须提高光阴极场强,以克服空间电荷效应造成的束团破坏。清华新一代的光阴极枪场强可以达到120MV/m,模拟结果表明,在100MV/m~120MV/m的光阴极梯度下,行波加速管出口束团均可以保持规则的分布。对于4×200pC电荷量的束团序列,图5(a)给出束团序列在光阴极处、光阴极枪出口后漂移1m处,以及引入行波加速管进行整体速度压缩后的束团分布的对比。由于空间电荷力效应,在行波加速管入口处的单脉冲的束长会变长,采用速度压缩对束团进行整体压缩可以有效压缩序列内每个脉冲的束长,从而扩大辐射的频谱范围,同时使得高次谐波的形状因子幅值增加,如图5(b)所示。模拟同时表明,在不同的速度压缩相位下,脉冲之间的间隔也将产生差异,从而改变谐波的频谱与宽度。结合激光整形和束团序列的速度压缩,可以实现高峰值功率、准单频可调谐的THz源。2ths辐射能量在现有束线(靶屏位置在6.5m处)的THz辐射实验中,采用如图6所示的原理图实现THz辐射的探测,GolayCell作为能量探测装置,对超短脉冲THz响应曲线的标定方法参见文献,对实验室所用探测器的标定结果为,电压–能量的对应关系为6.32μJ/V。THz辐射在与束线垂直的方向透过厚度为1mm的单晶石英窗(其透过率经标定为80%),在大气中直接传播。在石英窗口外加入一个1/2衰减片,以避免信号的饱和。经2个抛面镜的收集与聚焦后,THz能量沉积到GolayCell接收窗,示波器上显示相应的电压幅值。如图7(a)所示的探测波形,衰减后的电压幅值为1.4V,即探测能量~18μJ,考虑石英窗的衰减,THz辐射能量~22μJ。采用自行搭建的Martin-Puplett干涉仪测量THz频谱,频谱范围在2THz以下,典型的频谱如图7(b)所示。3空间电荷力作用多束团的测量实验验证了脉冲堆积与激光整形技术的可行性。实验平台如图8所示,在光阴极之后漂移1.5m后,用偏转腔实时测量束团的纵向分布。通过调整激光参数,调节束团电荷量,可以获得不同的束团序列的时间分布,如图9所示。实验中采用了较低电场梯度(65MV/m),此时束团的空间电荷力效应影响较大。在YAG屏上观察到间隔均匀的电子束团脉冲序列,同时观察到由于空间电荷力造成的束团纵向振荡效应。新的高梯度光阴极枪已经正式运行,下一步将在更高的光阴极枪电场梯度下,进一步提高束团电荷量,进行基于多束团序列的THz辐射实验研究。4ths束团优化本文介绍了清华大学加速器实验室已经开展的高峰值功率THz源相关的模拟与实验研究进展。在基于光阴极微波电子枪的直线加速器上,采用临界速度压缩获得超短电子束团,通过CTR机制获得了单脉冲能量18μJ、频谱范围在1THz附近的高峰值功率THz辐射,另外,提出欠压缩模式与漂移段结合的束团压缩方案,可产生超高峰值流强的电子束