Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Về sự phát sinh của các bậc hài trong laser điện tử tự do tia X với tham số độ lệch undulator biến đổi
Tóm tắt
Các laser điện tử tự do tia X (FELs) tạo ra các xung siêu ngắn tại các bước sóng khoảng ~1 – 100 Å. Nghiên cứu về khả năng phát sinh bậc hài trong miền tia X trong các FEL với tham số độ lệch undulator biến đổi đã được tiến hành. Việc phát sinh bậc hài của FEL FLASH2, SwissFEL, và FEL LCLS-II đang được xây dựng hiện tại đã được phân tích lý thuyết nhằm mục tiêu đạt được tần số bức xạ tối đa với một chùm điện tử có năng lượng tối thiểu. Phân tích so sánh hiệu suất của các bậc hài trong các FEL với sự phát xạ tự khuếch đại ngẫu nhiên (SASE), trong các FEL với khuếch đại giao thoa bậc hài tự gây giống (HLSS), và trong các FEL với khuếch đại và giảm bớt bậc hài cơ bản đã được thực hiện. Kết quả lý thuyết cho sự phát xạ của laser FLASH2 đã được so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Đã chỉ ra rằng việc sử dụng một bộ phân tách chuyên dụng trong một FEL với tham số độ lệch biến đổi cho phép có được sự phát triển sớm hơn và nhanh hơn trong công suất của các bậc hài trên chiều dài của các undulator nhờ vào việc ghép chùm điện tử hiệu quả tại các bước sóng của bậc hài. Dựa trên kết luận này, đề xuất sử dụng các giá trị khác nhau của tham số độ lệch trong các undulator cho bộ phân tách và cho bộ khuếch đại bậc hài thứ ba trong SwissFEL. Đã chỉ ra lý thuyết rằng điều này sẽ có thể giảm chiều dài FEL và tăng tần số bức xạ lên khoảng 30%. Khả năng phát sinh bậc hài trong FEL LCLS-II đang xây dựng đã được nghiên cứu theo ba chế độ khả thi: SASE, HLSS, và khuếch đại bậc hài thứ ba trong khi vẫn giảm bớt tần số cơ bản. Đã chỉ ra rằng lợi thế của một bộ phân tách chuyên dụng trong LCLS-II không thể được sử dụng đầy đủ với các undulator hiện có có tham số kbị biến đổi do hiệu suất khuếch đại bậc hài thấp trong các undulator của các giai đoạn khuếch đại với giá trị nhỏ k = 0.6. Như một giải pháp thay thế, đề xuất sử dụng bậc hài thứ ba trong các undulator với k = 2.24 trên toàn bộ chiều dài của FEL LCLS-II và rằng bậc tần số cơ bản được giảm thiểu bằng cách làm gián đoạn nhóm giữa các undulator. Đã chỉ ra rằng sơ đồ như vậy cho phép tạo ra bức xạ với công suất vượt quá 1 GW tại bước sóng bậc hài thứ ba λ ≈ 0.25 nm ngay cả ở khoảng 40 m undulator với năng lượng chùm E = 4 GeV.
Từ khóa
#Laser điện tử tự do #bức xạ tia X #bậc hài #khuếch đại #tham số độ lệch undulatorTài liệu tham khảo
J. M. Madey, J. Appl. Phys. 42, 1906 (1971).
D. A. G. Deacon, L. R. Elias, J. M. J. Madey, G. J. Ramian, H. A. Schwettman, and T. I. Smith, Phys. Rev. Lett. 38, 892 (1977).
V. L. Ginzburg, Izv. Akad. Nauk SSSR, Ser. Fiz. 11, 1651 (1947).
H. Motz, W. Thon, and R. N. J. Whitehurst, J. Appl. Phys. 24, 826 (1953).
H. Motz, J. Appl. Phys. 22, 527 (1951). https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.239
B. W. J. McNeil and N. R. Thompson, Nat. Photonics 4, 814 (2010). https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.239
C. Pellegrini, A. Marinelli, and S. Reiche, Rev. Mod. Phys. 88, 015006 (2016). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.88.015006
K. J. Kim, Z. Huang, and R. Lindberg, Synchrotron Radiation and Free-Electron Lasers: Principles of Coherent X-Ray Generation (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2017). https://doi.org/10.1017/9781316677377
Z. Huang and K. J. Kim, Phys. Rev. Accel. Beams 10, 034801 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.10.034801
P. Emma, R. Akre, J. Arthur, et al., Nat. Photonics 4, 641 (2010). https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.176
P. Emma, First lasing of the LCLS X-ray FEL at 1.5 Å, in Proc. 23rd of Particle Accelerator Conf., Vancouver, BC, Canada, 2009, TH3PBI01.
D. Ratner, A. Brachmann, F. J. Decker, Y. Ding, D. Dowell, P. Emma, A. Fisher, J. Frisch, S. Gilevich, Z. Huang, P. Hering, R. Iverson, J. Krzywinski, H. Loos, M. Messerschmidt, et al., Phys. Rev. Accel. Beams 14, 060701 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.14.060701
L. Yu, M. Babzien, I. Ben-Zvi, L. F. DiMauro, A. Doyuran, W. Graves, E. Johnson, S. Krinsky, R. Malone, I. Pogorelsky, J. Skaritka, G. Rakowsky, L. Solomon, X. J. Wang, M. Woodle, et al., Science 289, 932 (2000).
T. Shaftan and L.-H. Yu, Phys. Rev. E 71, 046501 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.71.046501
D. Xiang and G. Stupakov, Phys. Rev. Accel. Beams 12, 030702 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.12.030702
D. Xiang, E. Colby, M. Dunning, S. Gilevich, C. Hast, K. Jobe, D. McCormick, J. Nelson, T. O. Raubenheimer, K. Soong, G. Stupakov, Z. Szalata, D. Walz, S. Weathersby, M. Woodley, et al., Phys. Rev. Lett. 105, 114801 (2010). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.114801
P. R. Ribič, A. Abrami, L. Badano, et al., Nat. Photonics 13, 555 (2019). https://doi.org/10.1038/s41566-019-0427-1
G. Dattoli, P. L. Ottaviani, and S. Pagnutti, J. Appl. Phys. 97, 113102 (2005). https://doi.org/10.1063/1.1886890
R. Bonifacio, L. De Salvo, and P. Pierini, Nucl. Instrum. A 293, 627 (1990). https://doi.org/10.1016/0168-9002(90)90334-3
K. Zhukovsky, Opt. Commun. 418, 57 (2018). https://doi.org/10.1016/j.optcom.2018.02.039
K. Zhukovsky, J. Appl. Phys. 122, 233103 (2017). https://doi.org/10.1063/1.5001794
K. Zhukovsky, Europhys. Lett. 119, 34002 (2017). https://doi.org/10.1209/0295-5075/119/34002
O. Hensler, K. Honkavaara, R. Kammering, M. Kuhlmann, E. Ploenjes, J. Roensch-Schulenburg, E. Schneidmiller, S. Schreiber, K. Tiedtke, M. Tischer, R. Treusch, M. Vogt, W. Wurth, M. Yurkov, and J. Zemella, Appl. Sci. 7 (11), 1114 (2017). https://doi.org/10.3390/app7111114
E. A. Schneidmiller, B. Faatz, M. Kuhlmann, J. Roensch-Schulenburg, S. Schreiber, M. Tischer, and M. V. Yurkov, Phys. Rev. Accel. Beams 20, 020705 (2017).
C. J. Milne, T. Schietinger, M. Aiba, A. Alarcon, J. Alex, A. Anghel, V. Arsov, C. Beard, P. Beaud, S. Bettoni, M. Bopp, H. Brands, M. Brönnimann, I. Brunnenkant, M. Calvi, et al., Appl. Sci. 7, 720 (2017). https://doi.org/10.3390/app7070720
R. Abela, P. Beaud, J. A. van Bokhoven, M. Chergui, T. Feurer, J. Haase, G. Ingold, S. L. Johnson, G. Knopp, H. Lemke, C. J. Milne, B. Pedrini, P. Radi, G. Schertler, J. Standfuss, et al., Struct. Dyn. 4, 061602 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4997222
P. Juranić, J. Rehanek, C. A. Arrell, C. Pradervand, R. Ischebeck, C. Erny, P. Heimgartner, I. Gorgisyan, V. Thominet, K. Tiedtke, A. Sorokin, R. Follath, M. Makita, G. Seniutinas, C. David, et al., J. Synchrotron Radiat. 26, 906 (2019). https://doi.org/10.1107/S1600577519005654
R. Abela, A. Alarcon, J. Alex, C. Arrell, V. Arsov, S. Bettoni, M. Bopp, C. Bostedt, H.-H. Braun, M. Calvi, T. Celcer, P. Craievich, A. Dax, P. Dijkstal, S. Dordevic, et al., J. Synchrotron Radiat. 26, 1073 (2019). https://doi.org/10.1107/S1600577519003928
E. Prat, R. Abela, M. Aiba, A. Alarcon, J. Alex, Y. Arbelo, C. Arrell, V. Arsov, C. Bacellar, C. Beard, P. Beaud, S. Bettoni, R. Biffiger, M. Bopp, H.-H. Braun, et al., Nat. Photonics 14, 748 (2020). https://doi.org/10.1038/s41566-020-00712-8
https://portal.slac.stanford.edu/sites/lcls_public/lcls_ii/acc_phy/Lists/technotes/Public_view.aspx
T. O. Raubenheimer, 60th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on Future Light Sources FLS 2018 (Shanghai, China, 2018). https://doi.org/10.18429/JACoW-FLS2018-MOP1WA02
G. Marcus and J. Qiang, LCLS-II SCRF Start-to-End Simulations and Global Optimization as of September 2016 (SLAC National Accelerator Lab., 2017), LCLS-II TN-17-04.
G. Marcus and J. Qiang, LCLS-II SCRF Start-to-End Simulations as of August 2015 (SLAC National Accelerator Lab., 2017), LCLS-II TN-15-33.
V. G. Bagrov, G. S. Bisnovaty-Kogan, V. A. Bordovitsyn, A. V. Borisov, O. F. Dorofeev, Ya. V. Epp, Yu. L. Pivovarov, O. V. Shorokhov, and V. C. Zhukovsky, Synchrotron Radiation Theory and Its Development, Ed. by V. A. Bordovitsyn (Word Sci., Singapore, 1999).
I. M. Ternov, V. V. Mikhailin, and V. R. Khalilov, Synchrotron Radiation and Its Applications (CRC Press, 1985).
V. G. Bagrov, V. F. Zal’mezh, M. M. Nikitin, and V. Y. Epp, Nucl. Instrum. Methods A 261, 54 (1987).
N. A. Vinokurov and E. B. Levichev, Phys.-Usp. 58 (9), 917 (2015). https://doi.org/10.3367/UFNe.0185.201509b.0917
D. F. Alferov, Yu. A. Bashmakov, and E. G. Bessonov, Sov. Phys.-Tech. Phys. 18, 1336 (1974).
D. F. Alferov, Y. A. Bashmakov, E. G. Bessonov, P. A. Cherenkov, and K. A. Belovintsev, Part. Accel. 9, 223 (1979).
D. F. Alferov, Yu. A. Bashmakov, and P. A. Cherenkov, Sov. Phys.-Usp. 32 (3), 200 (1989).
K. Zhukovsky, Res. Phys. 13, 102248 (2019). https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102248
K. V. Zhukovsky, J. Synchrotron Radiat. 26, 1481 (2019). https://doi.org/10.1107/S1600577519008415
K. V. Zhukovsky, Russ. Phys. J. 62 (6), 1043 (2019). https://doi.org/10.1007/s11182-019-01812-x
G. Mishra and A. Sharma, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 976, 164287 (2020). https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164287
G. Mishra, A. Sharma, and S. M. Khan, Prog. Electromagn. Res. C 105, 217 (2020). https://doi.org/10.2528/PIERC20052201
K. V. Zhukovsky and A. M. Kalitenko, Russ. Phys. J. 62 (2), 354 (2019). https://doi.org/10.1007/s11182-019-01719-7
K. Zhukovsky, Opt. Laser Technol. 131, 106311 (2020). https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106311
K. Zhukovsky and I. Fedorov, Symmetry 13 (1), 135 (2021). https://doi.org/10.3390/sym13010135
G. Dattoli, V. V. Mikhailin, and K. Zhukovsky, J. Appl. Phys. 104, 124507 (2008). https://doi.org/10.1063/1.3039094
G. Dattoli, V. V. Mikhailin, and K. V. Zhukovsky, Moscow Univ. Phys. Bull. 64 (5), 507 (2009). https://doi.org/10.3103/S0027134909050087
K. V. Zhukovsky, Moscow Univ. Phys. Bull. 4, 285 (2020). https://doi.org/10.3103/S002713492004013X
K. Zhukovsky, Results Phys. 19, 103361 (2020). https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.103361
K. Zhukovsky, Symmetry 12, 1258 (2020). https://doi.org/10.3390/sym12081258
K. Zhukovsky, J. Synchrotron Radiat. 27, 1648 (2020). https://doi.org/10.1107/S1600577520012230
K. V. Zhukovsky, Phys.-Usp. 64 (3), (2021). https://doi.org/10.3367/UFNe.2020.06.038803
P. Schmüser, M. Dohlus, J. Rossbach, C. Behrens, Free-Electron Lasers in the Ultraviolet and X-Ray Regime (Springer, Cham, 2014). https://doi.org/10.1007/978-3-319-04081-3
R. Bonifacio, C. Pellegrini, and L. M. Narducci, Opt. Commun. 50 (6), 373 (1984).
H. Haus, IEEE J. Quantum Electron. 17 (8), 1427 (1981).
S. V. Milton, E. Gluskin, N. D. Arnold, C. Benson, W. Berg, S. G. Biedron, M. Borland, Y.-C. Chae, R. J. Dejus, P. K. DenHartog, B. Deriy, M. Erdmann, Y. I. Eidelman, M. W. Hahne, Z. Huang, et al., Science 292, 2037 (2001). https://doi.org/10.1126/science.1059955
M. Xie, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 445, 59 (2000). https://doi.org/10.1016/S0168-9002(00)00114-5
M. Xie, Proc. 1995 Particle Accelerator Conf. (IEEE, Piscataway, NJ, 1995), p. 183.
G. Dattoli, L. Giannessi, P. L. Ottaviani, and C. Ronsivalle, J. Appl. Phys. 95, 3206 (2004). https://doi.org/10.1063/1.1645979
G. Dattoli, P. L. Ottaviani, and S. Pagnutti, Booklet for FEL Desing: A Collection of Practical Formulae (ENEA Rep. RT/2007/40/FIM, 2007).
G. Dattoli, V. V. Mikhailin, P. L. Ottaviani, and K. V. Zhukovsky, J. Appl. Phys. 100 (8), 084507 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2357841
G. Dattoli and P. L. Ottaviani, Opt. Commun. 204 (1), 283 (2002). https://doi.org/10.1016/S0030-4018(02)01201-4
L. Giannessi, Synchrotron Light Sources and Free-Electron Lasers, Ed. by E. J. Jaeschke (Springer, Switzerland, 2016). https://doi.org/10.1007/978-3-319-14394-1_3
K. V. Zhukovsky, Moscow Univ. Phys. Bull. 74 (5), 480 (2019). https://doi.org/10.3103/S0027134919050187
L. Giannessi, D. Alesini, P. Antici, A. Bacci, M. Bellaveglia, R. Boni, M. Boscolo, F. Briquez, M. Castellano, L. Catani, E. Chiadroni, A. Cianchi, F. Ciocci, A. Clozza, M. E. Couprie, et al., Phys. Rev. Accel. Beams 14, 060712 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.14.060712
K. Zhukovsky and A. Kalitenko, J. Synchrotron Radiat. 26, 159 (2019). https://doi.org/10.1107/S1600577518012444
B. W. J. McNeil, G. R. M. Robb, M. W. Poole, and N. R. Thompson, Phys. Rev. Lett. 96, 084801 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.084801
E. A. Schneidmiller and M. V. Yurkov, Phys. Rev. Accel. Beams 15, 080702 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.15.080702
K. V. Zhukovsky, Moscow Univ. Phys. Bull. 74 (3), 308 (2018). https://doi.org/10.3103/S0027134918050193
K. Zhukovsky, J. Opt. 20 (9), 095003 (2018). https://doi.org/10.1088/2040-8986/aad6af
K. V. Zhukovskii and A. M. Kalitenko, Tech. Phys. 65, 1285 (2020). https://doi.org/10.1134/S106378422008024