[论文解读] Superradiant Undulator Radiation for Selective THz Control Experiments at XFELs

Takanori Tanikawa, Suren Karabekyan+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2018

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 9

一句话总结

该论文提出利用欧洲X射线自由电子激光器（European XFEL）中耗尽电子束的超辐射波荡器辐射，生成频率可调谐、带宽窄、载波包络相位稳定的太赫兹脉冲，能量高达280 µJ，频率范围为3–30 THz。该方案利用超导波荡器和高质量17.5 GeV电子束，产生重复频率高达4.5 MHz的太赫兹脉冲，与X射线脉冲同步，实现对电子和结构动力学的飞秒泵浦-探测实验。

ABSTRACT

The generation of frequency-tunable, narrow-bandwidth and carrier-envelope-phase stable THz pulses with fields in the MV/cm regime that can be appropriately timed to the femtosecond X-ray pulses from free-electron-lasers is of highest scientific interest. It will enable to follow the electronic and structural dynamics stimulated by (non)linear selective excitations of matter on few femtosecond time and Ångstrom length scales. In this article, a scheme based on superradiant undulator radiation generated just after the XFEL is proposed. The concept utilizes cutting edge superconducting undulator technology and provides THz pulses in a frequency range between 3 and 30 THz with exceptional THz pulse energies. Relevant aspects for realization and operation are discussed point by point on the example of the European XFEL.

研究动机与目标

• 利用高强度、窄带宽太赫兹脉冲实现对物质中低能自由度的选择性非线性激发。
• 解决现有太赫兹源在重复频率、场强、频率可调谐性方面与XFEL泵浦-探测时间同步不兼容的问题。
• 开发一种技术上可行的方法，利用现有XFEL基础设施生成能量达毫焦量级、时间分辨率优于100 fs的太赫兹脉冲。
• 确保太赫兹泵浦脉冲与X射线探测脉冲在高达4.5 MHz重复频率下的同步。
• 探索通过调节波荡器长度和束流时序，对脉冲中太赫兹周期数进行控制，以实现选择性激发实验。

提出的方法

• 利用欧洲XFEL的自发辐射FEL过程后耗尽的电子束，在超导波荡器中产生超辐射太赫兹辐射。
• 设计一个10周期的超导波荡器，其周期长度在17.5 GeV电子束能量下，针对3–30 THz的基频进行优化。
• 采用Nb-Ti超导技术实现高达7.3 T的峰值磁场，以在高电子能量下维持超辐射特性。
• 采用折叠式波荡器结构，总长控制在12 m以内，最大限度减小长度，同时保持性能，仅增加约3%的光学损耗。
• 采用双束流结构，束流间距为770 ps，使太赫兹脉冲独立于X射线脉冲序列生成，实现灵活定时并降低X射线背景干扰。
• 设计太赫兹传输光路，利用现有X射线光学隧道，考虑长路径长度影响，同时保持光束质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用耗尽XFEL电子束的超辐射波荡器辐射，产生带宽窄、频率可调谐、能量足够用于非线性激发的太赫兹脉冲？
• RQ2 在17.5 GeV电子束能量下，利用超导波荡器能否实现3–30 THz频段内能量大于10 µJ、带宽小于10%的太赫兹脉冲？
• RQ3 能否利用欧洲XFEL高达4.5 MHz的重复频率，生成与X射线脉冲同步的太赫兹脉冲，用于泵浦-探测实验？
• RQ4 在高重复频率XFEL运行条件下，如何最小化或补偿太赫兹与X射线脉冲之间的定时抖动？
• RQ5 能否通过调节波荡器长度或电子束流配置，对脉冲中太赫兹周期数进行控制，以实现选择性激发实验？

主要发现

• 在10周期波荡器和17.5 GeV电子束条件下，表3显示在基频（3–30 THz）下可实现高达280 µJ的脉冲能量。
• 在1–100 THz带宽范围内总脉冲能量最高可达3.45 mJ，500 pC电子束在3 THz处能量为279 µJ。
• 该方案支持高达4.5 MHz的重复频率，与欧洲XFEL的X射线脉冲列车结构一致（10列/秒，每列最多2700个脉冲）。
• 由于XFEL电子束质量极高，脉冲间能量稳定性预期极佳，可实现可靠的泵浦-探测测量。
• 双束流结构允许通过1 ns延迟线实现灵活的太赫兹脉冲定时，可在任意重复频率下与X射线脉冲同步。
• 太赫兹传输光路在数百米范围内可行，利用现有隧道结构，仅因额外三个反射面导致可忽略的损耗。