[发明专利]自由电子激光器谐振腔

说明书

技术领域

本发明涉及激光器件和激光设备技术领域，具体涉及一种能够自动调节输出功率稳定性的自由电子激光器谐振腔。

背景技术

由于自由电子激光器（FEL，Free-electron Laser）的输出波长可以通过调节自由电子束团的能量来实现连续调谐，调谐的便利使得其可以选择不同的输出波长满足不同场合的应用需求，能够实现从太赫兹至硬X射线的电磁波覆盖。自由电子激光器在物理、化学、材料、信息、生命、资源环境等学科领域均有重大的应用价值，并促进了多学科交叉与前沿光源技术的发展。由于FEL的增益介质是在真空环境中以近光速运转的自由电子，光束质量不受常规高功率激光增益介质的热效应的影响，易于同时实现高平均功率、高光束质量的激光输出，在工业与国防领域同样具有不可替代的作用。但是由于FEL装置庞大，系统复杂，因此影响其输出功率稳定性的因素也较多，主要包括：电子束流强度的不稳定、电子束流品质的不稳定、谐振腔长度的变化以及谐振腔腔镜的不对准等等。这些不稳定性对于自由电子激光器的应用，尤其在平均功率较高时的应用影响极为显著，例如，现有技术中的FEL装置输出功率甚至可以在这些不稳定因素的影响下从十千瓦降至零功率输出；如图1中所示，在腔长改变数十微米的情况下，输出功率即由极大值很快降至零功率。

目前，在上述影响稳定性的各种因素中，自由电子束流强度与品质可以通过优化电子枪以及加速器得到优化；但消除或减弱外界环境引起的谐振腔长度的变化以及谐振腔腔镜不对准等不稳定性因素则基本依靠机械设计自身的可靠性来实现，例如，放在减震平台之上或者安装其他隔震装置或者优化设计参数，使得谐振腔的失谐灵敏度降低等等；但是在系统实际运行中，由于FEL谐振腔采用的近共心腔结构不对准灵敏度较高，因此，外界扰动造成的腔镜的不对准以及温度等因素引起的腔长漂移均会造成功率的波动；由于外界影响并不单一，腔长变化、腔镜不对准等因素之间存在相互耦合关系，每个因素的变化均可导致功率输出的不稳定，无法判断是由何种自由度所引起的功率波动，从而为稳定输出的闭环控制带来极大的困难。因此，即使采用主动控制，也仅限于利用步进平移台进行腔长以及腔镜中心位置的调节，而且这些均是在输出激光之前的预调节。

对于如何在系统运行过程中的主动调节控制自由电子激光器的谐振腔稳定性，目前仍然没有很好的解决方案；因此，一种能够在运行过程中自动调节输出功率稳定性的自由电子激光器谐振腔亟待提供。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种能够在运行过程中自动调节输出功率稳定性的自由电子激光器谐振腔，用于闭环控制自由电子激光器运行过程中的不稳定因素，保证激光的稳定输出，增强自由电子激光器的实用性。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种自由电子激光器谐振腔，包括近共心设置的腔镜模块和输出耦合镜模块，从所述输出耦合镜模块输出激光光束；所述激光光束光路上设置有光电探测模块，所述光电探测模块连接控制模块，所述控制模块分别连接腔长调节模块以及光学对准调节模块，所述腔长调节模块以及光学对准调节模块分别与所述腔镜模块连接；

所述控制模块接收光电探测模块探测到的激光光束信息并反馈控制腔长调节模块以及光学对准调节模块分别进行谐振腔腔长调节以及光学对准调节。

优选的，所述光电探测模块包括在所述激光光束光路上顺次设置的分光元件以及光电探测器。

优选的，所述光电探测器响应速度小于自由电子激光器重复频率。

优选的，所述控制模块包括顺次连接的信号源、乘法器、低通滤波器、比例积分微分器、信号增益器、加法器以及信号驱动器。

优选的，所述信号源提供三路参考信号以及三路驱动信号；所述三路驱动信号的频率满足要求：三者都小于光电探测器带宽；三者互质；任意两者的差值以及和值不等于第三者、第三者的整数倍以及第三者的分频数。

优选的，所述腔镜模块包括设置于固定镜架上的腔镜，所述腔长调节模块包括设置于所述腔镜背面的压电陶瓷驱动器。

优选的，所述固定镜架上设置有调节腔镜水平以及竖直位置的二维调节旋钮，所述光学对准调节模块包括与所述二维调节旋钮连接的多个压电陶瓷驱动器。

优选的，所述腔长调节模块还包括与所述控制模块连接的腔长粗调单元；所述腔长粗调单元包括与所述腔镜模块连接的腔长调节步进平移台。