外種子自由電子激光的主要優(yōu)勢是可以繼承種子激光的優(yōu)秀特性，具有優(yōu)異的橫向相干性、縱向相干性和波長穩(wěn)定性等。同時，和任意一個信號系統(tǒng)類似，在外種子FEL的高次諧波轉換過程中，種子激光和電子束團的微小噪聲和缺陷也會被繼承，并被進一步放大。一般認為，外種子FEL的輸出信噪比與其諧波轉換次數(shù)的平方成反比，即隨著諧波次數(shù)的增大，外種子FEL頻譜等性能會嚴重退化，也就是所謂的噪聲演化問題。因此，噪聲問題被認為是限制外種子FEL向X射線擴展的一個重要因素。 

中國科學院上海應用物理所研究人員，近日在外種子FEL噪聲研究方面取得新進展，修正揭示了外種子FEL的噪聲演化規(guī)律，相關研究成果發(fā)表在Phys. Rev. ST-AB 16(2013) 060705，Nucl. Instr. Meth. A 737(2014) 237和Nucl. Instr. Meth. A 753(2014) 56。通過引入種子激光和電子束團之間的相對滑移，研究人員發(fā)現(xiàn)，種子激光相位噪聲的放大并非簡單地遵守N平方規(guī)律，可以通過增加調制段波蕩器周期數(shù)來有效抑制，從而改善外種子FEL性能。當種子激光為超短脈沖情況下，理論和模擬均證明，外種子FEL可以完全補償種子激光的相位噪聲，從而輸出縱向相干性非常優(yōu)秀的輻射脈沖。同時，研究人員還系統(tǒng)地分析了不同模式外種子FEL對電子束團噪聲的響應，發(fā)現(xiàn)PEHG和EEHG兩種模式可以做到對電子束能量噪聲較小的響應。 

外種子FEL噪聲問題的研究修正了以前的理論預期，證明目前的激光技術可以非常好的滿足外種子FEL對種子激光的要求，并為全相干FEL裝置向更短波長發(fā)展提供了理論依據(jù)，對建設中的大連相干光源和上海軟X射線試驗裝置都有積極意義。本項研究得到了國家自然科學基金委、國家科技部973項目和中國科學院的資助支持。

文章鏈接：

http://journals.aps.org/prstab/abstract/10.1103/PhysRevSTAB.16.060705

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900213015593

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900214002903

左圖：隨著調制段波蕩器的周期數(shù)增加，外種子FEL的噪聲放大倍數(shù)逐漸變小。右圖：電子束團的非線性能量chirp對不同模式外種子FEL頻譜的影響，可以看出，HGHG輸出的縱向相干性明顯降低，EEHG對電子束團能量的chirp不太敏感，而PEHG對這種電子束團能量的不完美型天然免疫。

　　基于電子束團相干輻射的外種子FEL波蕩器準直與調試方法 

短波長自由電子激光的飽和出光，不單需要直線加速器提供高品質電子束團，而且需要確保電子束團在波蕩器系統(tǒng)中高精度扭擺，這就涉及到波蕩器系統(tǒng)準直、波蕩器間隙設定、波蕩器段間相位匹配和尾場補償?shù)葐栴}。因此，在交付用戶之前，F(xiàn)EL裝置都要經(jīng)歷漫長的調束階段，以便掌握和優(yōu)化整個FEL裝置的性能。

基于電子束團的準直（BBA）是粒子加速器領域常用的準直方法。利用BBA技術，美國LCLS自由電子激光在132m波蕩器達到了小于5μm的束流軌道。波蕩器的BBA過程需要改變電子束能量、讀取大量BPM數(shù)值和復雜的數(shù)值算法，鑒于此，LCLS是目前唯一成功運行BBA的FEL裝置。基于電子束團自發(fā)輻射的準直（PBA），是近年發(fā)展起來的FEL波蕩器準直方法。利用波蕩器下游的光學系統(tǒng)，獨立測量各段波蕩器的自發(fā)輻射譜，推出束流軌道相關信息，從而加以反饋調整。日本SACLA自由電子激光利用PBA在110米波蕩器達到了1μm的束流軌道。

由于其優(yōu)越的全相干性和波長穩(wěn)定性，外種子FEL已經(jīng)成為紫外至軟X射線波段用戶裝置的首選工作模式。外種子FEL電子束團能量相對較低，通常在0.3-1GeV量級，電子束剛性差，大幅改變電子束能量的BBA幾乎無法正常工作；另外，外種子FEL的工作波段沒有可用的晶體單色儀，無法進行類似SCALA的自發(fā)輻射準直。因此，對于外種子FEL，探索新的波蕩器系統(tǒng)調試方法，是極具意義的一個科學問題。

中國科學院上海應用物理研究所長期從事外種子FEL物理和實驗研究，科研人員在總結調試經(jīng)驗的基礎上，提出了基于電子束團相干輻射的外種子FEL波蕩器調試方法，并在SDUV-FEL試驗裝置上完成了實驗驗證，相關研究成果近日發(fā)表在Phys. Rev. ST-AB. 17 (2014) 100702。研究表明，通過分析已群聚電子束在輻射段波蕩器的相干輻射性能，同樣能得到波蕩器內的束流軌道和共振關系等信息，便可以實現(xiàn)外種子FEL波蕩器系統(tǒng)的束流軌道準直。另外，基于電子束團相干輻射的準直技術與整個FEL調試渾然一體，更為直觀，除波蕩器準直之外，還可以用來設定波蕩器的工作磁間隙和波蕩器的段間相位匹配等。

目前，我國首個高增益FEL用戶裝置（大連相干光源）和首個X射線FEL（上海軟X射線FEL試驗裝置）均采用外種子FEL工作模式，并在2~3年內進入FEL調試階段。因此，基于電子束團相干輻射的波蕩器準直和調試方法的提出，對我國FEL裝置建設有十分重要的實際意義。本項研究得到了國家自然科學基金委、國家科技部973項目和中國科學院的資助支持，由中國科學院上海應用物理研究所馮超博士和鄧海嘯博士等合作完成。

文章鏈接：

https://journals.aps.org/prstab/abstract/10.1103/PhysRevSTAB.17.100702

在基于電子束團相干輻射的外種子FEL波蕩器準直調試方法中，當電子束在水平方向以一個傾角進入波蕩器，并且波蕩器的gap大于FEL共振關系所需時，在下游CCD上看到的電子束團相干輻射的空間分布，左：SDUV-FEL實驗結果，右：從頭至尾的數(shù)值模擬結果。

全光學X射線光源的輻射性能提升 

相對于射頻電子加速器驅動的X射線光源，發(fā)展全光學X射線光源，對減小同步輻射和自由電子激光的裝置規(guī)模很有好處。所謂全光學光源，即利用激光等離子尾場加速原理獲得高能量電子束團，并用激光電場來替代常規(guī)的波蕩器。激光等離子加速能產生比常規(guī)射頻加速器高2-3個量級的加速梯度，而激光波蕩器的周期長度比常規(guī)磁鐵波蕩器小2-3個量級，因此，全光學方法可以將光源規(guī)模急劇縮小，是桌面型X射線光源的可行方案，對于同步輻射和自由電子激光等光源的普及應用具有十分重要的意義。 

激光等離子加速產生電子束團峰值流強高（一般可達數(shù)千安培），束團長度短（一般僅有幾個飛秒），橫向發(fā)射度極低（如0.1微米弧度），這些特性均十分符合高亮度X射線光源對電子束團的要求。然而，目前為止，激光等離子體加速產生的電子束團能散在1%以上，尚遠遠大于X射線FEL的需求，這就限制了其在高增益X射線FEL方面的應用。 

中國科學院上海應用物理研究所研究人員發(fā)現(xiàn)，通過耦合電子能量和橫向位置，并調節(jié)電子束在激光場中扭擺的中心位置，便可以補償全光學X射線光源中電子束團的能散效應，相關研究成果近日發(fā)表在Optics Express22(2014)13880。具體原理如下：首先利用橫向色散元件將電子束團的縱向能量映射到橫向分布；其次激光場在橫向天然具有高斯分布，即場強從橫切面中心位置向四周遞減，只要入射電子束團不在激光場中心扭擺，便自然感受到橫向場梯度的存在，也就是所謂的具有橫向梯度的激光波蕩器。這樣安排下，不同能量電子均滿足自由電子激光共振條件，便可將能量轉換效率提高2-3個量級，并改善FEL橫向模式。

本項研究得到了國家自然科學基金委、國家科技部973項目和中國科學院的資助支持，由中國科學院上海應用物理所張彤博士和鄧海嘯博士等合作完成。（自由電子激光技術部 供稿）

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http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-22-11-13880

左圖：全光學光源中，電子束團（紅色圓點）以一個橫向偏移進入激光波蕩器場扭擺；中圖：縱向能量和橫向位置關聯(lián)的電子束團在激光波蕩器梯度場中符合共振關系；右圖：全光學光源輻射功率隨激光束斑大小和橫向偏移的變化情況，紅色區(qū)域為優(yōu)化區(qū)域。