[发明专利]用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔及激光器

说明书

本发明公开了一种用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔及激光器，光学谐振腔包括：上游反射镜、平面反射镜和下游反射镜呈三角形分布设置于真空室内；上游反射镜与平面反射镜之间的光路通过真空管道与光波导连接，光波导外侧设置波荡器；平面反射镜与下游反射镜之间的光路通过真空管道连接；下游反射镜与上游反射镜之间的光路通过真空管道连接；上游反射镜的中心部位设有中心耦合输出孔；上游反射镜与平面反射镜和下游反射镜之间构成三边环形光路的光学谐振腔。在不影响光谱间隙以外波长的耦合输出功率的情况下，本发明大大改善光谱间隙处耦合输出功率低的问题，从而提升了振荡器型自由电子激光器的整体性能。

技术领域

本发明涉及自由电子激光领域，尤其涉及一种用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔及激光器。

背景技术

振荡器型自由电子激光主要用于产生太赫兹和红外波段的激光，当前国际上运行的红外波段自由电子激光器绝大部分也都采用振荡器工作模式。振荡器自由电子激光光源可提供波长连续可调、准单色、高峰值功率的超短激光脉冲，应用于凝聚态物理、物理化学和生物物理等科学研究(B.N.Murdin,Contemporary Physics,50,2(2009),O'Shea,P G,and H P Freund,Science 292,5523(2001))。其辐射产生于电子束经过短波荡器时的自发辐射，通过利用光学谐振腔使光场在其内多次反射，并不断与后续电子束产生的光场重叠、累积放大直至饱和，具有平均亮度很高、辐射带宽窄等突出优点。

光学谐振腔是振荡器型自由电子激光的核心部件，直接影响自由电子激光的起振、放大、耦合输出以及出光品质。原理上，光学谐振腔主要由真空室内两块相互对心的高反射率聚焦反射镜构成(Neil G.R.,Particle Accelerator Conference.(2003))。储存在光学谐振腔内的光场在两面反射镜之间往返振荡，每一次经过波荡器时，电子束产生的辐射增益使光场不断放大。对于传统的上下游两面反射镜构成的光学谐振腔，反射镜的曲率半径和腔长一起决定这谐振腔内光场的稳态分布。一般地，光场在光学谐振腔内各处均呈横向高斯分布，因此，在一侧反射镜上通过中心小孔、部分透射、近布儒斯特角平板等方式实现光场的部分耦合输出，其中中心小孔耦合方式最为常见。

在红外和太赫兹波段的振荡器中，由于波长较长，通常光场衍射较快。在波荡器中，为使储存光场与电子束充分作用，提高光场单程增益，多采用光波导来控制光场尺寸和克服衍射损失。由于光波导的引入，会引起谐振腔内光场模式改变，从而会引起在某些波长附近出现耦合输出反射镜上中心孔附近光场强度很弱(如附图2所示)，进而导致耦合输出的功率出现急速减小甚至为零，影响输出光的波长调谐范围的问题，这就是振荡器自由电子激光中常见的“光谱间隙”现象(R.Prazeres,et al.,Physical Review SpecialTopics-Accelerators and Beams 12,010701(2009))。对一个自由电子激光器，“光谱间隙”的存在有着极为不利的影响，特别是当“光谱间隙”处在某些关键波长上时，会影响红外波段用户常用的光谱扫描研究方法的运用。因此，对于红外振荡器自由电子激光光源使用的光学谐振腔，如何解决“光谱间隙”现象是需要解决的问题。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔及激光器，能解决现有振荡器型自由电子激光器采用的上、下游反射镜对称的光学谐振腔，所存在的光谱间隙影响红外振荡器自由电子激光光源输出性能的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种用于振荡器型自由电子激光器的光学谐振腔，包括：

真空室、下游反射镜、平面反射镜、电子束、光波导、波荡器、上游反射镜和中心耦合输出孔；其中，

所述上游反射镜、平面反射镜和下游反射镜呈三角形分布设置于所述真空室内；