高梯度加速器的激光脉冲整形外文翻译资料

 2022-05-29 10:05

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高梯度加速器的激光脉冲整形

摘要：在许多高梯度加速器方案中，即由粒子引起的等离子体或电介质尾场中需要许多电子脉冲来对其中之一加速。那些通常具有超短持续时间和低发射度的电子束可通过射入相同RF束内的一列激光脉冲驱动光阴极注入器产生。我们提出了在Sparc实验中进行多束操作中使用的激光脉冲整形系统。我们的系统使我们能够控制主要参数，这些参数可用于生成一串最多五束具有特定强度和时间分布的高亮度光束。

1 引言

最近，高亮度直线加速器设备已经研究了每RF束内具有多于一个电子束的操作方案（LCLS[1]，DESY[2]，Sparc_lab[3]，Fermilab[4]等）。虽然一些设施，如FLASH和欧洲的XFEL在超导线性加速器中使用了一个很长的带有多束的长RF脉冲来提高可用于实验的总束数[5]。但我们关注于其他的设施，如LCLS和Sparc_lab，这些设施的实验需要多束配置才能工作，在同一个RF周期内有多个电子束。

由电子束驱动的等离子体尾场加速使用一个或多个电子束来驱动等离子体介质内较小的目标束的高梯度加速。其它高梯度加速实验，例如尾场介电加速[6]，也需要许多电子束有一个特定的排列结构。在双色自由电子激光的许多实验中，多束操作也需要用于泵浦探测或频闪实验[7-9]或用于材料研究中的单色THZ辐射的产生[10-11]。

那些配置需要产生两个或更多具有特性的电子束，如能量，横向尺寸，持续时间和分离度等，这些对于每一列脉冲中的电子束都是不同的。具有几皮秒或更小的脉冲间隔的电子序列的产生有不同的方案，例如，单个长电子束通过置于分散区域中的机械狭缝系统切割[4,12]或者一列电子束使用束团速度压缩来纵向操纵[13]。

在后一种配置中，一列脉冲产生一列电子束 ，再进一步用速度压缩[14]来进行操纵，并在加速器内加速。一个可以控制激光脉冲时间和横向尺寸以及每个脉冲的能量的激光系统是很有需要的。我们提出了不同的激光系统装置来获得Sparc实验室所需的脉冲特性和实验结果，了解这些脉冲在高亮度直线加速器中的生成，表征和使用情况。

  1. 脉冲序列的生成和表征

我们将注意力集中在产生脉冲序列的技术上，该技术也可以用于紫外脉冲，因为金属阴极需要波长比可见光短的光照射。例如，Sparc实验室的RF枪（S波段，1.6cell）需要约266nm的波长。我们的阴极的量子效率在10-5的数量级，因此需要几十mJ的紫外脉冲能量才能产生几百PC。可以使用许多技术来产生一列纵向脉冲[15]。一个简单的获得皮秒脉冲序列的技术是使用晶体的双折射性质[16]。这些晶体根据偏振对于晶体光轴的取向具有两个不同的折射率。选择激光极化可以设置能量的多少沿晶体的快轴和慢轴传播（图1）。

图1 双折射晶体生成激光脉冲序列

晶体在的脉冲之间引起纵向间隔（）。其中（no）ne是寻常（非寻常）折射率，L是晶体的厚度。两个脉冲具有正交偏振。为了获得更多的脉冲，可以串联不同长度的晶体。通常使用晶体，因为它们在紫外光谱区具有良好的透射性和较强的双折射[6]。这个方案非常简单有效，除了旋转晶体以外不需要精确对准晶体；脉冲的横向位置不移位；它只需要几个光学元件（晶体）来获得2n个脉冲；该系统的损失是最小的（主要是表面反射和晶体吸收）。这种装置的主要缺点是：脉冲之间的距离是固定的，经过每个晶体的脉冲数量恰好加倍。每个脉冲之间的距离不能独立的设置超过两个脉冲。

另一种技术是基于分裂脉冲，并使它们在不同的路径上传播，然后在互相匹配的装置中重新组合（图2）[17]。

图2 由干涉式配置产生的2个脉冲串的方案。 HWP：半波片，PBS：偏振分束器。

在这种装置中，线偏振激光脉冲被偏振分束器分开。一个脉冲通过延迟线延迟，并通过偏振分束器与另一个脉冲重新组合。第一个半波片可以旋转偏振方向来决定在每个臂中传输多少能量。它们也可以容纳其它光学元件以便对于每个脉冲具有不同的横向或纵向形状。该方案在产生两个脉冲的情况下是足够简单的，并且可以很大程度的控制每个脉冲的横向，纵向和能量特性，但它需要在横向方向上精确的对准，因为下面的传输光路可以改变两个脉冲的相对横向位置。该方案不容易扩展到两个以上的脉冲。一种选择是用半波片和偏振分束器多次分割初始脉冲已获得期望数量的脉冲，其中一半具有偏振而另一半（对于奇数总脉冲减去一个）具有正交的脉冲。当脉冲重新组合时，在第一次复合之后，每次复合的能量损失一半；当两个以上的脉冲被传输到偏振分束器时，只有正交的偏振方向可用，导致只有一半的脉冲或者在偏振旋转45度的情况下，每个脉冲只有一半的能量。其他的选择，例如[18,19]报告，损失较小，比这个方案更紧凑，但是限于需要的两个脉冲的幂次分离自由度不够理想，如前面描述的双折射晶体方案。

还可以实现其他涉及光色散的技术，例如两个展宽脉冲的干涉以便在一个4f系统的傅里叶平面中具有大量脉冲[11]或相位[12]和振幅[20,21]。

应精确测量纵向特性以充分表征激光序列，与红外激光器互相关可以解决在长时间窗口中具有高分辨率的问题。这些测试通过测量由待表征的紫外激光序列脉冲与IR 单峰探针之间的非线性晶体内的差频过程产生的能量来完成的（图3）[22]。

互相关分析是通过改变红外脉冲延迟的多点测量得到的。该系统受到幅度抖动的强烈影响，可以通过平均每个IR延迟位置的多个镜头来降低影响。系统的分辨率受到延迟线设置的较短波长（5mm）和红外脉冲长度（脉冲的半高全宽在0.7到1.3ps之间，因为光学跟随谐波的产生所以将IR脉冲稍微啁啾以补偿紫外光束上的色散）的限制[23]。

使用与紫外激光谐波相同的IR脉冲可以大大减少时间抖动。在这种情况下，红外脉冲形状可以通过紫外线发生整形，即在泵浦耗尽区域附近完成（如图4所示在互相关测量中使用的红外脉冲中自相关的一个例子）。在互相关的数据分析过程中应考虑IR的实际形状，这种技术的另一个可能的限制是由于脉冲的空间啁啾引起的互相关曲线的变形。

  1. Sparc实验室的脉冲序列

在Sparc的实验室中对以前的一些方案进行了测试[3]。

Sparc实验室光阴极注入器由激光系统驱动，该系统基于一个啁啾脉冲以10 Hz的重复频率将钛宝石激光器的800 nm激光三倍频到266 nm。UV脉冲的压缩脉冲长度大约是半高全宽为100 fs。我们通过在阴极上虹膜的成像获得一个准顶部横截面，允许在切割后具有高达1 mJ的紫外激光能量。

图3 两脉冲串的互相关方案。延迟线（DL）用于通过光电二极管使用差频生成（DFG）晶体（例如beta;BBO）获得互相关测量。

图4 图7和图8中谐波生成之后的IR脉冲的自相关，每步扫描0.17 ps

我们使用厚度不同的晶体，范围从5.32到0.33 nm，以获得在4.2 ps和0.26 ps间隔的激光脉冲。图5显示了由一个到五个晶体产生的脉冲的互相关，一系列晶体的厚度在每个之后的晶体中减半。在最后的配置中，脉冲之间的距离与单脉冲的半高全宽相同，形成8.4 ps的准顶部纵向形状。由于alpha;BBO晶体旋转，存在于这个脉冲顶部的波纹部分（图5D）有小的偏差，因此平衡了强度，并且由于具有相同偏振的脉冲尾部的干扰交错，晶体的旋转可以将波纹深度大约减小到最大值的15%。如果需要更多的灵活性，可以使用晶体的温度控制来调节相位延迟。

由于速度压缩和随后的不均匀加速改变了脉冲之间的间隔，所以我们选择改变脉冲的配置，以便具有多于两束具有期望时间间隔的电子束。

我们使用了类似于干涉的装置，在其中的一个脉冲上有一个可变的延迟，而在另一个脉冲中使用晶体来产生脉冲序列。

我们研究的第一种情况是在直线加速器的末端产生三个不同电量的等距离脉冲。

我们使用晶体加在一起，将2.7 ps的激光脉冲和约4 ps以后的第三个脉冲分开。直接在加速电子的纵向相位空间中进行的在线调整将距离设置在4.4 ps，以使具有1.0和1.1 ps的电子束质心有几乎相等的间隔，使用半波片和晶体的旋转，强度也设定为电子束电量的比值为5-3-1。

在将偏振旋转45度之前，我们改变了这种装置以便通过在晶体之前增加一个半波片来产生5个脉冲，否则只有晶体产生的四个脉冲中的一半将沿着延迟的脉冲反射到光阴极。这个装置对于使用4个脉冲来加速的例子PWFA是非常有用的，而最后一个作为加速目标。我们使用了两种装置：一个是有相同能量的4个激光脉冲和一个具有一半能量的脉冲；另一个在4个脉冲中具有90%能量的斜波序列，比例为7-5-3-1，并且一个延迟脉冲剩余10%能量。我们可以通过转动晶体角度很容易地将一个装置变为另一个和对电荷比和参考延迟进行微调以及直接测量加速器末端电子的纵向相空间。

这种能力将使我们能够在PWFA实验中优化驱动器的电荷比。对于恒定的驱动装置，我们可以将1.2,1.1,1.4和1.6 ps的电子束分离，而对于斜坡驱动装置，我们可以将1.0,0.9,1.4和1.6 ps之间的电子束分离。虽然我们的目标是获得四个等距的束团和最后一个为前面距离的一半，但由于速度压缩，最后一个驱动束团较其他有不同的延迟。

  1. 结论

我们将研究和测试用于脉冲序列生成的激光系统，使用双折射晶体产生许多激光脉冲，并在干涉仪中使用了延迟装置。

图5 由一个（A），两个（B），三个（C）和五个（D）alpha;BBO晶体获得的脉冲串的互相关。延迟线的每一步的延迟在33 fs（A）和100 fs（D）之间，IR的半高全宽为0.7 ps。每个点平均发射30次。

图6 产生3-5个激光脉冲的激光系统装置。HWP：半波片，PBS：偏振分束器，DL：延迟线

双折射晶体是一个非常好的系统来产生一对只有一个元素的脉冲，非临界对准和损耗可忽略不计。

当需要两个以上的脉冲时，脉冲之间的分离比是重要的；如果需要等距离的激光脉冲，就元件数量，易用性，对准程序和小损耗而言，双折射晶体是最有效的解决方案。如果需要不同的脉冲间隔，则需要配置干涉仪，其臂数等于脉冲数，每个臂部有延迟线，如果必须在脉冲之间改变横向尺寸，即为了与具有不同电荷的电子束产生相同的电子电荷密度，则也需要这种装置。

每个臂最多使用一个双折射晶体的混合配置的使用是延迟线的灵活性与双折射晶体的易用性之间的最佳平衡，满足了每个脉冲具有不同时间间隔的要求这种解决方案比使用4f系统和幅度控制或使用多个激光源锁定一起更有效率[24]。

Sparc实验室激光系统的未来发展将在干涉仪装置中配置4条延迟线，以控制每个脉冲延迟的横向和纵向尺寸。

总之，我们提出了两种不同的基于双折射晶体和延迟线的激光束生成方法，我们已经展示了用于制造电子束的激光脉冲样品的许多应用（PWFA，但也用于FEL和单色THZ一代）并提出了这些方法的优点和局限性。

图7 激光序列的相互关系（左边）和相应的测量电子纵向相位空间（右边，能量在水平轴上，时间在垂直轴上）

图8 顶部：五个激光脉冲的互相关。红色线（A）有一个小脉冲，后面跟着4个脉冲，幅值相同，在线性加速器操作中其中一个晶体的方位不对准得以校正。黑色线（B）有一个小脉冲，接着是以7:5:3:1的比例幅度上升的4个脉冲。底部：两个电子纵向相位空间图。

参考文献

  1. Marinelli, et al., Nat. Comm. 6 (2015).
  2. W. Ackermann, et al., Nat. Photonics 1.6 (2007) 336.
  3. M. Ferrario, et al., Nucl. Instr. Methods Phys. Res. B 309 (2013) 183.
  4. Y. E. Sun, Experiment and simulations of sub-ps electron bunch train generation at fermilab photoinjectors, In: FEL conference, 2011.
  5. P. Muggli, et al., Phys. Rev. Lett. 101 (5) (2008) 054801.
  6. C. Jing, et al., Phys. Rev. ST Acc. Beams 14 (2011) 021302.
  7. Z. Zhang, et al., Phys. Rev. ST Acc. Beams 18 (2015) 030702.
  8. A. Petralia, et al., Phys. Rev. Lett. 115 (1) (2015) 014801.lt;

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