[发明专利]产生自由电子的方法和利用与激光波动器的相互作用的自由电子激光系统

说明书

本发明涉及自由电子激光系统和通过与激光变换器相互作用生成自由电子激光束的方法。

技术领域

本发明涉及能够提供在从远紫外线到伽马射线的光谱范围内的波长非常短的波辐射的自由电子激光束生成领域。

更具体地，本发明涉及自由电子激光系统，包括生成能够在传播方向上传播的相对论性电子包的装置，和生成能够与相对论性电子包进行相互作用的变换器激光束的装置。

本发明还涉及生成自由电子激光束的方法，包括生成能够在传播方向上传播的相对论性电子包的步骤，和生成能够与相对论性电子的包进行相互作用的变化器激光束的步骤。

背景技术

在该领域，在先技术包括不同类型的X射线激光器，其中目前应用最多的是等离子体介质X射线激光器，美国专利文献6,693,989中描述了等离子体介质X射线激光器的实例。用于生成X射线光谱区内射线的系统包括激光脉冲和气态原子包生成器。为了检索选定的原子电子而不检索所有的电子，激光脉冲被定向在原子包中以产生原子激发。从而，产生粒子数反转，在X射线光谱域内建立了非线性、限制模式的辐射传播区。在这个因此建立的传播区内控制气态原子包的密度，以确保X射线传播不会停止。

在该文献中所描述的发明使得获取2.9埃波长的光子束成为可能。然而，所描述的该系统展现出以下主要缺点：

-光子能量固定，

-光子束在散度上、在光子数上以及在脉冲持续时间上都不能被控制，

-时钟同步不能被控制，

-需要使用在248纳米波长下运行的氙氟化物气体励磁机激光器，该激光器很难在专用研究室外使用。

更一般地来说，这种激光系统的缺点是：除了XUV射线区，换句话说，远紫外线X射线区之外，不能达到X射线光谱区。

因此，本领域的一个主要问题是生成激光束，其中光子可具有高于X射线区内的典型阈值，例如500伏，也就是，波长小于2纳米的能量。

本领域的另外一个主要问题是X射线束的时钟同步，最好的情况下，一般也只能限制在几百飞秒内。

为了解决上面提到的问题，已经提出了基于与变换器类型结构耦合的电子加速器的使用在康普顿状态下实现能够引起电子横向波动的自由电子激光器。[C.Pellegrini，“Design considerations for SASE X-ray FEL”，Nucl Inst Meth.a Meth.A 475(2001)1-12]。

根据X射线自由电子激光器的第一个替代方案，加速器使得电子能量达到10GeV，变换器是一个磁变换器。

然而该替代方案并没有使获得高X光子能量，理想地，明显地高于10keV，同时在很大程度上减少了费用和体积成为可能。

根据X射线自由电子激光器的第二个替代方案，电子加速器使得相对论性电子的能量达到大约10和100MeV，变换器是在与相对论性电子包的传播方向相反的方向上传播的激光器。

该替代方案具有几个主要缺点。第一个是它需要极其低(实际上低于1％)的包电子的“δ-γ/γ”能量分散。第二个是它造成非常低标准化的电子包发射量(实际上低于1mm.mrad)。另外一个困难是在相互作用区域内实现一个严格的恒量激光照度(典型相对照度变量实际上低于1％)，缺乏能够很好地控制此区域中激光照度分布的简单可能性。

另外一个产生高通量X射线束的技术方案[Z.Huang and R.D.Ruth“Laser-electron strorage ring”Physical Review Letters，80(5)：976-9，February 1998]使用一个装置，包括用于储存相对论性电子的环，或者一个或两个能量回收线性加速器的组，以高精细度法布里-珀罗共振器的形式与主动或被动激光器腔耦合。这种紧密光源装置也可称为法布里-珀罗同步加速器。

但是，该解决方案有主要的缺点。第一个是X辐射很难调谐，即很难改变X光子的能量。第二个缺点是由于在光束的可能自由传播引起的空间相干性以外这个源没有自己的本征空间和时间相干性引起的。另外一个缺点是获得的X脉冲的持续时间，典型的大约在1到10皮秒。

因此，现有技术解决方案中一个也没有能够提供在远紫外线域内的激光束或可调谐的X射线、具有低脉冲持续时间(例如，大约5到100飞秒)、花费和体积合理的可能。此外，没有现有技术已知解决方案使得提供硬X射线领域(高于或远远高于10keV)或伽马射线(远远高于100keV)的激光束成为可能。

发明内容