[發明專利]激光電子加速器中毛細管的準直方法

無效

• 申請號: 201010177592.6
• 申請日: 2010-05-14
• 公開（公告）號: CN101866059A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 劉明偉;鄧愛華;徐建彩;夏長權;劉建勝;李儒新;沈百飛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B27/30
• 分類號: G02B27/30;H05H7/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及激光電子加速器，特別是一種激光電子加速器中毛細管的準直方法，該方法還可動態檢測在靶室抽真空過程中毛細管與主激光的準直性變化過程，本發明也可用于調節和監控大尺寸光束聚焦后與任意微通道的準直。

背景技術

由于介質存在電場擊穿，傳統射頻加速器的加速梯度要低于100MV/m，所以只能通過不斷增加加速器的長度和體積來得到更高能的粒子束。與傳統加速器固體介質相比，等離子體本身就是電離的準電中性介質，能夠承載大得多的加速電場，可以作為新一代加速器的理想加速介質。利用聚焦的超強超短激光脈沖(主激光脈沖，指從10Hz光中選某個脈沖或全部脈沖放大再壓縮后得到的激光脈沖)在等離子體中可以驅動大振幅電子振蕩(即plasma?wave，等離子體波)，但質量相對較重的離子基本保持不動，則在振蕩電子與離子之間由于電荷分離產生非常大的電場(即laser?wakefield，激光尾波場)，如當等離子體電子密度為10¹⁸cm^-3時，該電場約為96GV/m，且隨電子密度的增加而增大。因此，可以利用超強超短激光脈沖驅動等離子體波的方法來建造新一代緊湊、造價相對低廉的臺面型激光電子加速器。國外也開始申請這方面的專利技術。

利用激光在等離子體中把電子加速到極高能量，同樣需要考慮有效的加速距離。在10¹⁹cm^-3以及更低密度的等離子體中，電子被加速后跑出加速相位的失諧長度在cm量級。但是，經過聚焦的超短超強脈沖激光的Rayleigh長度要遠小于該失諧長度。因此，要獲得GeV量級的電子能量增益，需要先在等離子體中產生適當的波導結構，如通過毛細管放電(管內充氣或直接燒蝕管內壁)形成等離子體通道來導引主激光脈沖。利用該類通道，國際上已經成功實現1GeV的準單能電子束。

如何調節和監控主激光與毛細管的準直性(主激光光軸與毛細管中心軸重合)是毛細管放電通道導引激光加速電子的關鍵技術之一：一方面，直接決定了在等離子體通道中能否重復實現光導引，從而影響了能否重復產生準單能電子束；另一方面，當主激光與毛細管的準直性變化時，將影響所產生的電子束的指向性。目前有兩種方法可調節毛細管與主激光的準直：第一種是直接用10Hz(未加放大)主激光來調節，用望遠鏡觀看毛細管入口處激光焦點位置，再用CCD相機觀測經過毛細管后的出射光斑；第二種方法是再用一束輔助激光(如He-Ne激光)與主激光準直之后，再用輔助激光來調節毛細管的準直。這些方法的缺點在于：

1、由于主激光光斑通常非常大(比如直徑150mm)，一般用焦距1m量級的離軸拋物鏡聚焦且焦點位于毛細管入口處，毛細管孔徑≤0.5mm，則毛細管出口處的主激光實際光斑大小要遠大于毛細管的孔徑。因此，第一種方法用望遠鏡能保證焦點位于毛細管入口的中心，但用CCD相機探測到的出射光斑并不能準確反映主激光是否偏離毛細管中心軸傾斜出射，即只從一個點(焦點)保證毛細管的準直；同時，由于主激光脈寬通常只有幾十fs，這種光也會對毛細管內壁造成損傷。

2、第二種方法可以在一定程度上避免第一種方法的缺點。但是，由于是間接調節，兩束激光之間、輔助激光與毛細管之間的調節誤差將會增大主激光與毛細管之間的準直誤差；而且，由于每束激光本身存在指向性抖動，進一步增加了間接調節的難度和誤差。

3、毛細管與主激光的準直一般是在空氣中先調節好，再對靶室抽真空，在此過程中，主激光傳播方向變化較大，用輔助激光間接調節，不能確切反映出抽真空前后主激光與毛細管之間的準直性變化情況。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于克服上述現有方法存在的缺點，提供一種激光電子加速器中毛細管的準直方法，該方法應具有原理清晰、操作方便、快捷和準直調節準確的特點。

本發明的技術解決方案如下：

一種激光電子加速器中毛細管的準直方法，是利用10Hz未加放大的主激光限束后調節毛細管與主激光準直的方法，其特點在于該方法包括下列步驟：①找會聚光束的焦點位置，設置會聚光束同心的同心環板；②確定小孔光闌的位置；③設置反射鏡、CCD相機和計算機；④精確調節小孔光闌的位置；⑤設置毛細管，精確調節毛細管與主激光的準直。

該方法的具體步驟如下：

①同心環板的放置：對大光斑主激光束經離軸拋物鏡或透鏡聚焦后的會聚光束，先用探片找到主激光的會聚光束的焦點位置；在焦點之后的光路中并垂直于該光路插入同心環板，且保證在所述的焦點與同心環板之間的光路中有加入毛細管和反射鏡的空間，調節所述的同心環板，使所述的同心環板的環中心與所述的會聚光束的光斑中心重合；