[发明专利]一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源

说明书

本发明公开了一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源，包括：激光源、脉冲堆积光路、反射镜、光阴极多腔微波电子枪、螺线管线圈及波荡器；其中：激光源出射的激光脉冲通过脉冲堆积光路经过n次堆积后产生由2ⁿ个激光脉冲组成的激光脉冲串；该激光脉冲串经反射镜照射在光阴极多腔微波电子枪的阴极表面，通过光电效应在阴极表面发射出电子束团串，通过光阴极多腔微波电子枪腔室内微波功率源产生的微波场对电子束团串进行加速，并利用螺线管线圈的磁场进行横向聚焦后，进入波荡器从而激发出THz波段的相干电磁辐射。本发明公开的方案具有结构紧凑、技术上容易实现、频率连续可调、窄带宽的特点。

技术领域

本发明涉及电子加速器、自由电子激光领域，尤其涉及一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-30THz之间的电磁波，由于现有光源尚未完全覆盖该频段、故该波段被称为THz间隙(gap)。因其在生命科学，材料科学，通信技术以及国家安全等多个领域具有广阔的应用前景受到国内外科学家的普遍关注。THz源是发展太赫兹科学的基础，也是相关学科发展的主要瓶颈。

基于自由电子激光(FEL)波荡器辐射的THz辐射源主要包括：超短电子束团的超辐射以及利用外种子激光调制电子束产生THz频率上的聚束。超短电子束团的超辐射又可以分为单个超短束团和超短束团串两种情况，单个超短电子束团的超辐射相对简单易行，而超短束团串的超辐射则可以大幅减小其辐射带宽，并提高其光谱亮度。利用外种子激光调制电子束的关键问题是缺乏直接可用的THz波段种子激光，需要通过两级以上调制以产生THz频率上的聚束，因此所需设备较多，装置较为庞大，且波长调谐也较为复杂。

基于超短束团串的超辐射是近几年较为热点的研究内容，但其辐射频率调节范围均为电子束群聚频率的基波范围。

因此，发展低成本、紧凑、技术上容易实现、高峰值功率和脉冲能量、频率可调的窄带宽THz辐射源对太赫兹科学技术的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源，具有结构紧凑、技术上容易实现、频率连续可调、窄带宽的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于自由电子激光的可调谐窄带紧凑型太赫兹辐射源，包括：激光源、脉冲堆积光路、反射镜、光阴极多腔微波电子枪、螺线管线圈及波荡器；其中：

激光源出射的激光脉冲通过脉冲堆积光路经过n次堆积后产生由2ⁿ个激光脉冲组成的激光脉冲串；

该激光脉冲串经反射镜照射在光阴极多腔微波电子枪的阴极表面，通过光电效应在阴极表面发射出电子束团串，通过光阴极多腔微波电子枪腔室内微波功率源产生的微波场对电子束团串进行加速，并利用螺线管线圈的磁场进行横向聚焦后，得到一串间隔近似相等的且长度小于预设值的束团，这一束团串在基波及其初始的多个高次谐波上都有高于预定值的群聚，进入波荡器从而激发出THz波段的相干电磁辐射；

通过调节波荡器磁场大小，使其共振波长依次与电子束团串重复频率的基波、二次谐波、三次谐波以及三次以上谐波相等，从而数倍扩大THz波段的相干电磁辐射的波长范围。

进一步的，所述光阴极多腔微波电子枪与一真空管道连接，该真空管道的四周设有螺线管线圈且该真空管道处于螺线管线圈中心位置，所述反射镜置于真空管道中；

激光脉冲串通过真空管道上的窗口入射至反射镜表面，并被反射至光阴极多腔微波电子枪的阴极表面；光阴极多腔微波电子枪出口射出的电子束团串经由真空管道后，从波荡器的磁极间隙间通过，从而激发出THz波段的相干电磁辐射。

进一步的，所述激光源出射的激光脉冲通过脉冲堆积光路经过n次堆积后产生由2ⁿ个激光脉冲组成的激光脉冲串包括：