基于自由电子激光的小型太赫兹源初步设计

基于自由电子激光的小型太赫兹源初步设计
在电磁波谱上,太赫兹(THz)波段介于电子学的微波波段与光学的红外波段之间,有学者定义其频率范围为(波长3mm―3nm)2‘31.由于该波段所处的特殊电磁波谱的位置,其性质表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性,从而使太赫兹辐射成像技术及时域光谱技术在安全检查、反隐身高精度雷达、军事通讯、工业无损检测、空间物理和天文学、环境检测、化学分析、生物医学、网络通信等领域具有广阔的应用前景。目前,各国学者给予THz技术研究以极大的关注,形成了一个研究高潮。美国、欧洲和日本尤为重视,日本在未来十年科技战略规划中将其列为十项重大关键技术之首131.THz技术的核心是辐射源和探测器技术的发展。THz辐射源的研究方向集中在两个方面:一方面是将光子学特别是激光技术向低频延伸,包括THz气体激光器、超短激光脉冲光电导天线和光整流、非线性差频过程(DFG)和参量振荡器w,其特点是可以产生方向性和相干性都很好的THz波,但输出功率小,适合产生ITHz以上频率的THz波。另一方面是将电子学方法向高频延伸,包括真空电子器件、电子回旋脉塞、自由电子激光(FEL)、Cherenkov辐射、储存环同步辐射、基于半导体技术的THz量子级联激光器等。在各种THz辐射源中,FEL具有高功率、高效率、波长在大范围内连续可调、波束质量好、光脉冲时间结构精细而且可调等突出优点,是目前可以获得*高输出功率的方法。

FEL从70年代开始就受到一些国家的重视,但是发展并不顺利,主要原因是FEL对电子束的品质要求太高,一般来说,要求能散度在0.5%以内,归一化发射度在5min.mrad左右。普通电子直线加速器不可能稳定提供这样高品质的束流,所以直到上世纪90年代,世界上没有出现大功率的FEL.1995年以后,美国efferson),旨在探索小型化、可移动的FEL-THz源的实现方法。

采用独立调谐双腔热阴极微波电子枪(ITC-RFGun)和等梯度行波加速管。采取对称输入耦合器和以同轴吸收负载取代输出耦合器的加速结构,使场完全对称,克服了常规加速管输入、输出耦合器中场的不对称性对束流发射度的影响。同时,因不需外接吸收负载而使加速结构得到简化,从而减少了加速器的横向尺寸,有利聚焦线圈的安装和检修。电子束经加速管加速到5―10MeV,通过90°偏转磁铁1进入波荡器,与光学谐振腔内的光场和波荡器的磁场相互作用,产生1一3THz辐射波。光学谐振腔由两个反射镜组成,一个镜子的位置可调。60°偏转铁2将束流引入束流垃圾箱。微波功率源由2856MHz微波信号源、固态放大器、20MW速调管以及调制器、波导系统(功分器,移相、衰减器等)等组成。快速束流变压器(FCT)用于电荷量的测量,OTR和条纹相机用于测量束团长度。

2独立调谐微波电子枪ITC-RF电子枪由两个腔组成,**腔为阴极腔,引出束流,第二腔为加速腔(如所示)。两个腔独立馈入不同大小和相位的微波功率,利用速度聚束效应获得亚皮秒级束流61.通过初步摸拟计算,采用ITC-RF电子枪,在不需要

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