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第一届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会论文集 67
THz自由电子激光椭圆型耦合输出光腔的设计研究术
窦玉焕1,2木束小建1,2
(1.北京应用物理与计算数学研究所北京100094;
2.中国x-程物理研究院太赫兹研究中心四川绵阳621900)
摘要在对中物院高功率THzFEL装置理论分析和设计的基础上,针对目前THzFEL光腔设
计面l临的主要难点,提出了椭圆型耦合输出光腔的设计方案,并对椭圆型耦合输出光腔代替传统FEL
光腔的优势、光腔品质、耦合效率等进行了分析研究。研究表明,椭圆型耦合光腔的设计更适合目
前THzFEL的光斑特点,可使光腔输出功率提高33%以上,输出耦合效率即光腔品质可提高30%一70%;
随着辐射频率的提高,椭圆孔耦合输出光腔的优势提高就更为明显。
关键词太赫兹自由电子激光光腔耦合设计
太赫兹(THz)源的产生和利用有重大的科学价值,在通信、探测、成像以及危险品检测、生
物医学等方面有广泛而独特的应用前景…,是国际上的前沿和热点。目前产生THz源的方法有很多,
如基于半导体机制的量子级联激光心。;利用微电真空器件产生THz辐射b。;还有一种是利用相对论电
子束即自由电子激光(FreeElectron
功率高、波长可设计及大范围连续可调的特性而有独特的优势。美国、德国、俄国等世界各国都在
积极进行THzFEL实验装置的建立和关键技术的研究晡。8。。由于THz源属于一个比较特殊的研究波段,
波长较长,衍射损失和滑移效应都比较严重。光腔的耦合设计就面临的很大的挑战——既要保证很
高的耦合输出效率,同时也必须适应较宽的光谱范围。有关光腔的设计也一直是国内外研究者致力
于研究的热点。
在国家科技部等支持下,中国工程物理研究院正在建造一台辐射频率在1-3THz,输出功率在
10W左右的THzFEL装置。目前该装置面临的主要难点是输出功率比较低,尤其在1THz附近,由
于波长较长,衍射损失较大,输出功率更低。传统上一直采用圆孔耦合输出光腔【9l…,因为孔耦合光
腔有一些突出的优点:如利于宽带操作;在摇摆器内,光学模和电子束有良好的重叠;耦合输出的
光学模可以有效的远距离传输,输出的光质量较高;还可作为电子束注入谐振腔的直接通道等。但
是在THz波段,在光腔内必须加入波导的约束以克服衍射损失【111,光腔内的光斑主要呈现椭圆型,
单纯靠增加圆孔半径无法有效增加输出功率。边耦合输出光腔曾被用于远红外FEL实验的研刭12J,
FEL光腔
该方式虽然比较灵活,但不太适合波导FEL光腔,工程实现上也较为复杂。针对目前THz
基金项目:国家重大科学仪器设备开发和应用专项基金资助(2011YQl300180102);国家自然科学基金资助课题
;中国工程物理研究院科学技术发展基金资助课题(201180401066)。
yahoo.corn.ca
THz自由电子激光椭圆型耦合输出光腔的设计研究
内光斑的特点,我们提出对该光腔的输出耦合设计为椭圆孔耦合输出光腔的方案,这种输出耦合光
腔一方面可以保留圆孔耦合输出光腔的优点,一方面更适合光腔内光斑的特点,工程实现上也较为
容易。从公开文献看这种光腔耦合设计在国内外还没有人提出或者进行过研究。本文将对椭圆型耦
合输出光腔代替传统FEL光腔的优势、光腔品质、耦合效率等进行分析研究,证明椭圆孔耦合输出
设计更适合THz波段的FEL光腔。
1 基本方案
表1 中物院太赫兹源FEL的基本设计参数
通过理论估计和大量的数值模拟计算,文献【13】完成了摇摆器的周期和磁场及光腔参数的匹配设
计,基本设计方案参数见表1所示。本装置的一个重要目标是实现共振频率的可调谐输出。为了达
到1-3THz的可调谐设计目标,需要对电子束能量和摇摆器场强两方面同时调节来实现。在光腔和摇
摆器的设计基础上,对1-3THz不同频段可调谐输出的实现方式进行了初步的设计,设计分点为
选取和计算,对每个设计点的光腔参数,腔增益,输出功率等进行了数值模拟,通过数值模拟结果
比对,
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