激光脉冲时域整形及其对发射度的改善效果

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1、第２３卷第７期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．７２０１１年７月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＪｕｌ．，２０１１文章编号：１００１４３２２（２０１１）０７１８９４０５激光脉冲时域整形及其对发射度的改善效果何志刚，王季刚，贾启卡（中国科学技术大学国家同步辐射实验室，合肥２３００２９）摘要：利用脉冲堆积法对驱动激光脉冲进行了时域整形，并利用条纹相机测量到了理想的整形结果。在脉冲堆积法的基础上，给出了近似椭球体整形的方案。模拟结果表明：利用脉冲堆积法整形后得到激光脉冲驱动光阴极可以获得更小的发射度；对于测量到的半高全宽（ＦＷＨＭ）为３．８２ｐｓ

2、的脉冲，８个子脉冲堆积比４个子脉冲堆积更为有利；此外，对激光脉冲作近似椭球体整形可以进一步降低束流发射度。关键词：驱动激光；脉冲堆积；时域整形；椭球体整形；发射度中图分类号：ＴＬ５０３．３文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１１２３０７．１８９４光阴极微波电子枪中，束流发射度的增长主要是由于空间电荷效应的作用引起的。空间电荷力又分为线［１２］性和非线性两个部分：线性部分可以通过螺线管线圈得到完全补偿；减小、甚至消除非线性空间电荷力对发射度的影响是所有进行光阴极微波电子枪研究期望实现的目标。光阴极产生的电子束分布状态由驱动激光脉冲的分布状态决定，将激光脉冲在空

3、间和时域上整形为均匀分布状态可以减小非线性空间电荷效应引起的发［１３］［４５］射度增长。进一步将激光脉冲整形成为均匀分布的椭球体状，则可以完全消除非线性空间电荷效应。［６］［７］在空间整形方面，利用已有的产品获得了理想的整形效果，更为简单的整形镜设计也已提出。在时域整形［６，８］方面，脉冲堆积法是目前为止最为简单有效的整形方法。本文运用脉冲堆积法对绿光波段的激光脉冲进行了时域整形，并得到了理想的测量结果；在脉冲堆积法的基础上给出了近似的３维椭球体整形方案；利用ＡＳＴＲＡ程序模拟分析了各整形方法对发射度的改善效果。１脉冲堆积法进行脉冲堆积的方法有两种：利用双折射晶体的方法及

4、利用偏振分光棱镜加光学延迟线的方法。利用双折射晶体进行脉冲堆积的原理和整形结果可见文献［６］。本文采用偏振分光棱镜加光学延迟线的方法，其主要原理为：垂直偏振的线偏振光通过４５°旋光片后，偏振方向旋转４５°，通过偏振分光棱镜将原来的单个脉冲分成水平偏振和垂直偏振的两个子脉冲。同理，两个可以分成４个……最后将这些子脉冲堆积在一起组成一个新的脉冲，只要控制好子脉冲之间的间距，即可得到近似均匀分布的脉冲。子脉冲之间的距离可以通过光学延迟线来控制。其原理和方案图如图１和图２所示。Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｐｕｌｓｅｓｔａｃｋｉｎｇＦｉｇ．２Ａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｄｉａ

5、ｇｒａｍｏｆｐｕｌｓｅｓｔａｃｋｉｎｇ图１脉冲堆积法原理图图２脉冲堆积法方案图与利用双折射晶体的方法中通过选择晶体的厚度来控制子脉冲之间的间距相比，通过光学延迟线的方法来调整子脉冲之间的间距要灵活很多，整形后的脉冲在时域上的分布状态可调，而缺点在于光路过多，调节较为困难。收稿日期：２０１０１０１８；修订日期：２０１１０３２５基金项目：国家９８５二期工程项目；国家２１１工程项目作者简介：何志刚（１９８４—），男，博士研究生，从事光阴极微波电子枪研究；ｈｅｚｈｇ＠ｍａｉｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ。第７期何志刚等：激光脉冲时域整形及其对发射度的改善效果１８９５２光路调整及

6、测量结果光路调整是一个十分复杂的过程。在光路调整过程中，激光应正入射各个镜片，否则会导致各个子脉冲的能量差别并且降低整个系统的传输效率；其次，为确保经过整形系统后的４个子脉冲在空间上共线，首先要确保进入整形系统的激光束的水平传输，然后再调整光学延迟线中各个反射镜的俯仰及旋转角度。由于用于测量的条纹相机系统对于１０Ｈｚ重复频率的激光脉冲只能做单次扫描而不能进行长期监测，所以激光的指向稳定性及实验室环境因素对整形结果的影响暂时没有进行研究。若采用自相关法测量皮秒脉［９］冲，精度将会比条纹相机高。图３（ａ）为条纹相机测得的整形前激光脉冲在时域上的光强分布图，测得的脉冲半高全宽（ＦＷ

7、ＨＭ）为３．８２ｐｓ左右。图３（ｂ）～（ｄ）分别为各个子脉冲在不同的时间间隔时测得的堆积后的脉冲在时域上的光强分布情况。从图３（ｄ）可以看到，脉冲的整形结果非常理想，中间均匀分布部分的脉宽为１１．５０ｐｓ左右，两边各有半高宽为１．９０ｐｓ左右的上升和下降沿。整形系统对激光能量传输效率的测量结果为６０％左右。在利用条纹相机进行测量时，为使条纹相机的扫描模块和激光脉冲同步，一个高精度的数字延迟发生器（如ＤＧ５３５）是必备的。另外，需要指出的是：采用水平和垂直偏振光相间排列，可以防止激光光子相干的发生。Ｆｉｇ