摘 要

通过对激光脉冲的时间及空间分布状况进行操控，可以对电子束的空间电荷力进行调控，抑制其非线性分量。因此，驱动激光整形技术对降低空间电荷力所引起的束流发射度增长、提高光阴极微波电子枪性能具有重要意义。

论文主要设计了完整的超短激光脉冲整形及测量光路，并对其中各个元器件公差对整形结果的影响进行了分析。论文使用双折射晶体脉冲堆积的方法进行纵向整形，将入射的半高全宽为1.0 ps的高斯脉冲经过四块BBO晶体分成脉冲间隔为1.05 ps的16个子脉冲再经过堆叠形成准平顶激光脉冲，之后再经过横向整形，最后将整形后的激光脉冲与参考脉冲通过差频法测量激光脉冲宽度，并与理论计算结果进行比较。本文主要特色是设计了一套从超短脉冲整形到测量的完整光路，并且提出的测量方案有很高的精度，可以达到百飞秒量级。

关键词：光阴极微波电子枪；发射度；超短激光脉冲；脉冲整形；脉冲测量

Abstract

By controlling the temporal and spatial distribution of the laser pulse, the space charge force of the electron beam can be regulated and its nonlinear component can be suppressed. Therefore, it is of great significance to drive laser shaping to decrease the beam emission caused by the space charge effect and improve the performance of the photocathode RF gun.

In this paper, we mainly design a complete ultra-short laser pulse shaping and measuring optical path, and the various components that affect tolerance for shaping results are analyzed. We use the method of pulse stacking by birefringent crystals to shape longitudinally. The Gaussian pulse with a full width at half maximum of 1.0 ps is divided into sixteen sub-pulses with 1.05 ps duration and stacked to form a quasi-flat top pulse after four BBO crystals. After transverse shaping, the laser pulse width is measured by the difference frequency generation between the laser pulse after shaping and the reference pulse, and compared with the theoretical calculation results. The main feature of this paper is to design a complete optical path from shaping to measurement, and the proposed measurement scheme has high accuracy, which can reach hundreds of femtoseconds.

Key Words：Photocathode RF Gun；Emittance；Ultra-short laser pulse；Pulse shaping；Pulse measurement

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 光阴极微波电子枪 1

1.3 电子束的发射度 2

1.4 超短激光整形和测量技术 2

1.4.1 超短激光整形技术 3

1.4.2 超短激光测量技术 4

1.5 研究内容及预期目标 5

第2章 束流动力学模拟 6

2.1 ASTRA简介 6

2.2 束流动力学模拟过程 6

第3章 超短激光脉冲整形方案 9

3.1 设计要求 9

3.2 激光器及传输光路简介 9

3.2.1 激光器简介 9

3.2.2 传输光路整体介绍 10

3.3 激光纵向整形 11

3.3.1 光束一分二 11

3.3.2 基于双折射晶体的脉冲堆积 12

3.4 激光横向传输光路及整形 15

第4章 超短激光脉冲测量方案 19

4.1 互相关测量脉宽的原理 19

4.2 相位匹配 20

4.3 脉冲测量光路 22

4.4 传输效率 23

第5章 总结与展望 25

5.1 论文总结 25

5.2 工作展望 25

参考文献 26

附录A 29

致 谢 32

第1章 绪论

光阴极微波电子枪使用超短激光脉冲驱动光阴极产生电子束，其初始时间及空间分布由驱动激光脉冲决定；电子枪中电子束加速过程中，影响电子束品质的关键因素是空间电荷效应。通过对驱动激光进行整形，可以很好的降低发射度，提高光阴极微波电子枪性能。

1.1 选题背景及意义

近年来，随着科学技术的快速发展，第四代光源即直线加速器驱动的短波长自由电子激光和极限衍射储存环对电子束的发射度提出了更高的要求。

光阴极微波电子枪是一种能够产生低发射度、高峰值流强的装置，其中驱动激光形状对电子束发射度具有重要影响，本次设计就是针对衍射极限储存环及自由电子激光大型装置来设计符合其要求的驱动激光装置，对脉冲进行整形及测量，保证整形后的光脉冲驱动光阴极产生的电子束具有足够低的发射度。

1.2 光阴极微波电子枪

光阴极微波电子枪系统如图1.1所示，主要由电子枪、射频（Radio Frequency，RF）腔、激光系统、聚焦螺线管线圈、束流诊断系统等组成^[1]。根据对输出电子束能量、发射度等要求来选择前面各部分的技术。在这里我们主要涉及激光系统。故在此对激光系统做主要描述，其他系统做简要介绍。

图1.1 微波电子枪系统

激光系统是电子枪中很重要的一个结构，驱动激光决定了电子枪初始电子束的分布，对初始电子束的发射度、峰值流强等起着重要影响。光阴极发射的电子束的脉冲宽度和加速后的最终的脉冲宽度主要受激光脉冲的影响，所以其决定了大多数后续装置的类型和参数。驱动激光系统在大多数情况下，由主振荡器、放大器和其他一些辅助模块组成。主振荡器和放大器中的增益介质决定了激光波长和脉冲最短可持续时间。在这个增益介质中较高状态的寿命和能量以及光学器件的损伤阈值决定了系统的最大输出功率和能量。除了脉冲能量和平均功率以外，主振荡器通常能够满足光电探测器的大部分要求。功率放大器用于提高脉冲能量和平均功率，而不影响总体的性能。额外的光学元件通常插入到系统中以满足其它调整光脉冲的需要，例如改善信噪比，划分微/巨脉冲结构，以及改变横向和纵向光束轮廓。

光阴极微波电子枪的其他结构如电子枪用来产生电子束，RF腔用来对电子进行加速，发射度补偿线圈用来电子束横向聚焦，补偿发射度等，在其中都起着不可忽视的作用。

1.3 电子束的发射度

电子束的发射度代表了电子束的分散程度，它是用来表征电子束品质的重要参数^[2]。均方根发射度可以通过下式来对它进行表示:

(1.1)

的计算公式如下式:

(1.2)

(1.3)

(1.4)

电子束的发射度主要分为热发射度和空间电荷效应引起的发射度。在这里主要讨论空间电荷引起的发射度。带有电荷的粒子会产生相互作用，因此粒子束团内部粒子会排斥从而产生向外扩大的趋势，这就是空间电荷所引起的效应。它会使得电子束的发射度增长并且所引起的效应与电子束分布紧密相关，而驱动激光的分布状态决定了电子束的形态。所以合适的激光整形将有助于束流发射度的减小。

1.4 超短激光整形和测量技术

激光器的锁模技术实现后，激光脉冲的宽度可以达到很小，现在已经进入as（attosecond，阿秒）级别。对于非常快速的时间进程或是十分小型的空间尺度测量，需要更加快速和更加短的时空尺度来进行测量。近年来，超短脉冲观测超快现象已经成为一种十分新型且高效的研究手段^[3]。为了对激光脉冲进行评估，激光脉冲的整形和测量技术不可或缺^[4-5]。接下来就介绍一下超短脉冲的整形及测量技术的有关知识。

1.4.1 超短激光整形技术

在很多领域内，很多反应取决于脉冲的形状，也有很多应用需要把脉冲修改成特定的形状^[6]。例如，相干多光子激励需要控制脉冲相位和脉冲间隔。对于纳秒脉冲的形状和相位整形来说，只需要用电驱动的脉冲整形装置即可，如电光调制器。但是对于皮秒乃至飞秒脉冲整形则必须依靠全光学技术。

现在国内外一般将脉冲整形粗略分为时间整形和空间整形^[7]。

用于时间整形的技术强烈依赖于初始激光脉冲持续时间。当激光脉冲持续时间大于纳秒，它们可以通过电光调制器直接整形，这些先进的调制器具有几十GHZ的速度。亚皮秒和飞秒光脉冲具有较大的光谱带宽，因此它们可以通过调制激光脉冲的光谱含量而在时间上整形。Weiner率先采用了这种方法，图1.2（a）显示了该过程的基本原理，光栅首先将激光脉冲的频率成分分开。第一个傅里叶透镜将角度色散从光栅转换为其焦平面上的衍射极限点，并具有明确的位置与频率相关性。通过空间幅度和相位掩模来控制该平面处的光谱成分。第二透镜光栅对调制光束进行展开并将所有频率分量重新组合为具有时间调制的单个光束。这种静态掩模调制器的主要好处是其系统和制造都简易。但是，如果不完全了解输入脉冲，则无法制造。带有可编程色散滤波器（商业上称为DAZZLER）的A-O调制器已经成功地形成了皮秒和飞秒脉冲，如图1.2（b）所示。

尽管上述主动脉冲整形技术发展良好，功能强大，并且可以提供任意时间脉冲形状，但它们具有局限性，即它们的低光功率处理能力使其仅适用于低重复频率，并且输出可能包含残余时空扭曲。此外，通常只有紫外光子（光脉冲的二次，三次或四次谐波）具有足够的能量从光阴极出射电子束。另外，被动脉冲叠加通常用于暂时形成赫兹到兆赫兹重复频率的高能超短激光脉冲。这种方法在皮秒脉冲中被证明是成功的，其中光谱带宽对于频谱域中的准确调制而言不够大，并且调制器的响应时间对于时域中的调制而言不够快。这样的脉冲堆叠器可以用一组适当定向的双折射晶体或常规延迟线来构建。这两种被动的技术都需要十分精确的干涉测量对准。

图1.2 使用（a）空间光调制器和（b）DAZZLER的常规时间整形。

传统的光束空间整形技术依赖于使用中继光学器件将预定义的圆孔成像到光阴极上，尽管可以实现接近平顶的轮廓，但该过程会引入过度的光损失，并增加将条纹图案注入光阴极的风险。空间轮廓可以通过利用逆高斯透射滤光器，衍射元件，或通过由反射/透射激光束主动控制光束路径中的镜子/透镜以产生期望的光束形状。商用被动非球面折射/反射光学整形系统已经可用，它们提供了牢固而简单的设计，具有高度的光学传输和低至紫外波长的高光功率处理能力。最近，国内外还提出了一种使用超短光脉冲的独特属性的解决方案。基本原理如下：对光脉冲瞬时频率的调制导致时间相关的相位变化，后续聚焦光学器件的色差将瞬时频率的这种偏移转换为透镜聚焦长度的变化。以这种方式，时间依赖的频率变化被映射成时间依赖的焦距变化。DAZZLER最适合实现这些调制，因为其中可以任意控制光脉冲的幅度和相位。然而，考虑到光斑尺寸变化的超短时间尺度，不仅产生这种椭圆形轮廓复合体，而且确认光束尺寸的这种与时间相关的行为同样困难。

尽管时空脉冲整形技术已经成功开发，但它们全部有其优点和缺点，没有一个方案适合所有的加速器设备。事实上，时空整形只是产生低辐射率电子束的开始，运输电子束以保持其质量应该同等重视。一个精心设计的具有稳定性的时空整形器，结合基于电子束特性和自学习算法的反馈系统，最终将导致下一代超高亮度电子束的产生。

1.4.2 超短激光测量技术

对于超短激光脉冲的脉宽达到皮秒甚至飞秒量级时，光电接收装置的响应时间比较大，不能对脉冲宽度达到皮秒量级以上的脉冲进行测量。

现在国内外常用的测量超短激光脉冲宽度的办法大致分为两种：直接测量法、相关测量法。

直接测量法顾名思义就是对脉冲宽度进行直接测量，例如条纹相机法，条纹相机主要的组成部分是条纹管。它可以直接在照相胶片上记载光脉冲，并对其进行观测获得脉宽，分辨率可以测到2 ps。此方法的缺点是结构十分复杂，设备价格不菲，不适合用于连续测量，不能测量飞秒脉冲的宽度，且测量时调节比较复杂。

相关测量法的应用范围很广，国内外大都采用此类型的测量方法。其通过相关函数和测试出的相关曲线再经过一定的公式推导才可以测量出脉冲的宽度。通过相关法可以间接测量出脉冲宽度，但是前提是要知道待测脉冲的形状比如高斯型、双曲型等。双光子荧光法、二次谐波法是现在比较常用的测量超短脉冲宽度的方法。双光子荧光法使用激光照射染料来产生荧光，通过对荧光的强度进行分析，可以获得脉宽。双光子荧光法的优点是它的结构十分简单并且适合脉冲激光，缺点是对于不同频率的激光我们得更换不同的染料，测出来的波形不能准确反映待测波形，测量的灵敏度比较低。二次谐波法也可以称为倍频法，是让两束频率为ω的光以相位匹配角入射非线性晶体时会出射频率为2ω的倍频光，产生的倍频光的强度与入射光的强度的平方成正比，因此通过一定的延时装置使得两束光产生时间延迟，用光电探测器就能接收到倍频光的强度，进行相关测量^[8]。该方法的优点是测量精度比较高，分辨率比较高，处理数据很方便但是其结构很复杂并需逐点测量。

1.5 研究内容及预期目标

论文工作围绕脉冲整形及测量方案展开，首先确定大致方案，之后利用ASTRA软件和MATLAB软件进行仿真确定参数指标，设计出整体光路，然后进行理论分析和模拟计算来获得每个光学器件的参数，最后分析各个光学器件对传输效率的影响，提出可优化点。论文的预期目标就是设计出一套集整形和测量为一体的完整光路，使得方案在理论上可行，测量脉冲的精度达到百飞秒的量级。

论文主要的研究内容如下：

第一章：本章介绍一下光阴极微波电子枪系统、论文涉及到的一些重要的物理概念和激光整形及测量技术的发展，最后简述了研究的意义。

第二章：本章主要介绍了束流动力学模拟，用ASTRA软件以减小发射度为目标确定我们所需要整形后的光脉冲的形状及一些参数，便于光路设计。

第三章：本章对激光脉冲整形光路进行了设计，并对各部分的原理进行了详细的介绍，给出了整体光路图。

第四章：本章对激光脉冲测量光路进行了设计，给出了理论分析和仿真计算，并对整体光路的各个部分都进行了讨论，对最后的传输效率进行了大致计算。

第五章：对论文的完成情况进行总结，展望下一步的优化工作。

第2章 束流动力学模拟

为了具体讨论驱动激光脉冲形状对电子束团发射度的影响，我们采用束流动力学工具ASTRA（A Space Charge Tracking Algorithm）进行仿真计算，并根据计算结果确定了对驱动激光脉冲进行整形的参数。

2.1 ASTRA简介

ASTRA是一种空间电荷跟踪算法，ASTRA软件程序包由四部分组成：可用于生成初始粒子的程序生成器、用于显示电磁场的图形程序、用于显示粒子相空间图的图形程序和用于显示电子束大小、发射度的图形程序线图。我们通过给出粒子束的初始分布和一些参数就能计算出粒子的发射度，再通过自带的程序就能绘制出发射度曲线图，观测粒子束发射度变化。

2.2 束流动力学模拟过程

这一节我们通过ASTRA软件进行仿真计算，以减小发射度为原则，确定激光脉冲分布参数。首先我们要确定脉冲的形状对发射度的影响，ASTRA软件仿真需要给定初始电子束的分布，而初始电子束的分布与驱动激光脉冲形状一致，故我们通过ASTRA软件仿真就能看出激光脉冲形状对发射度的影响。

ASTRA软件仿真需要给出粒子束分布的其它参数，其它参数对发射度也会有很大的影响，但是我们主要讨论粒子束分布对发射度的影响，所以首先仿真优化了其它参数，在这里其它参数值就直接给出，不做过多的讨论，我们在确定其它最优参数的情况下讨论粒子束分布对发射度的影响。

这里我们先给出仿真需要的一些条件，我们根据电子枪的一些参数，设计宏粒子个数为10000，宏粒子个数越多计算越准确但所耗的时间也越长。 螺线管磁场强度为2350 Gauss，电子枪的微波相位设为偏移0相位约28°，模拟单个束团，电荷量为1 nC。

我们比较1.5 m处的发射度大小，因为我们拟优化设计在此截断使得电子束从光阴极微波电子枪射出。我们知道一般的激光器出射的激光脉冲分布都是高斯型的，而对高斯分布进行简单堆积就能形成另一种分布，即平顶分布，平顶分布的空间电荷效应是线性的，当然可以对激光脉冲进行不同形状的整形，但那样整形方法比较复杂，且整形后的脉冲分布的空间电荷效应不一定是线性的，所以在此我们就相同半高全宽条件下的高斯脉冲和平顶脉冲进行了仿真，并对其引起的发射度变化进行了比较，模拟结果如图2.1所示：

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：