一種保持超快脈衝同步的切換裝置的製作方法

2023-11-11 03:10:17

本發明涉及超快雷射光學領域，特別是指一種可以保持超快脈衝同步的切換裝置。

背景技術：

光路延時線是光學領域中實現脈衝同步常用的一種技術手段，當光脈衝分成兩個或者多個子脈衝並經過不同的光學路徑時，通過調節子脈衝光路裡的延時線，使各個子脈衝到達合束點時的光程相等，產生時間同步的相干增強脈衝，從而應用在不同的領域。

基於逆康普頓散射的緊湊型高亮度X射線源作為下一代先進光源，可以獲得從ps到fs量級的準單能的X射線。通過X射線的散射和衍射對物質中原子和分子組成結構的信息進行探測，同時材料的相變過程和化學反應中化學鍵斷裂和組合等超快物理過程也可藉由此光源進行觀察。為了獲得的可調時間長度的X射線，則需要對超快飛秒雷射與高能電子束團的碰撞時間與角度進行嚴格的控制。這對雷射器輸出的光路延時系統提出了非常高的要求，超快雷射需要能以不同的角度與電子束團碰撞(垂直或者近似於迎面相撞)，在這兩種情況下，雷射還應該保持從雷射器出射到碰撞點之間的光程相等。這就需要延時光路來滿足以上條件。按照飛秒雷射的脈衝寬度在飛秒量級來計算，則光程的調整精度需要達到10μm量級；而按照電子束團和雷射光束對撞截面在20μm範圍，則兩者的對準誤差也需控制在μm量級。

目前，在超快雷射光學領域常規的延時裝置是將經準直器後輸出的光經過不同的固定直角反射鏡陣列進行反射傳輸，通過調節增加額外的光程來獲得到達靶標處的延時，這種方案只能對固定角度下入射到靶標處的情況適用，不適合在不同的入射角度下獲得與高能電子束團的同步碰撞。且只能用於對單一光束進行延時控制，即只能控制單一光束到達靶標的光程，無法控制切換光束到達靶標的角度並且精密控制切換光束與高能電子束流的同步時間。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於提出一種能夠對切換光束進行控制，且可以控制切換光束到達靶標的角度以及與高能電子束團的同步時間的超快脈衝同步切換裝置。

基於上述目的本發明提供的一種保持超快脈衝同步切換的裝置，包括：雷射發射器、延時器、雷射反射鏡、電子加速器、碰撞腔、電子偏轉器和電子束流回收裝置；

所述碰撞腔包括腔體，在所述腔體上方設置有第一雷射入射孔和第二雷射入射孔，在所述腔體內部對應所述第一雷射入射孔的位置處設置有會聚透鏡，在所述腔體內部對應所述第二雷射入射孔的位置處設置有反射組件，在所述腔體內部的兩側分別設置有第一聚焦組件和第二聚焦組件，所述第一聚焦組件和第二聚焦組件同軸設置，在所述第一聚焦組件和第二聚焦組件上的軸線位置處設置有電子束流孔，所述腔體內部設置有第一雷射收集器和第二雷射收集器；

所述雷射發射器產生的雷射束經所述延時器後，由所述第一雷射入射孔進入所述碰撞腔，在所述碰撞腔內經所述會聚透鏡聚焦後，與所述電子加速器產生的電子束流在所述碰撞腔內發生碰撞，之後進入所述第一雷射收集器；

所述雷射發射器產生的雷射束經所述雷射反射鏡後，由所述第二雷射入射孔進入所述碰撞腔，之後依次經所述反射組件和所述第二聚焦組件反射與電子束流碰撞後，經所述第一聚焦組件反射進入所述第二雷射收集器。

進一步的，所述會聚透鏡下設置有一維平移臺，通過所述一維平移臺調節雷射焦點位置。

進一步的，所述第一聚焦組件和第二聚焦組件結構相同且在碰撞點兩側對稱設置，所述第一聚焦組件和第二聚焦組件上設置有螺旋測微器，通過所述螺旋測微器調整所述弧面反射鏡角度。。

進一步的，所述反射組件上設置有螺旋測微器，通過所述螺旋測微器調整所述反射組件角度。

進一步的，所述碰撞腔的腔體的左右兩側分別設置有電子束流入射孔和電子束流出射孔。

進一步的，所述碰撞腔的腔體上設置有真空泵接口。

進一步的，所述碰撞腔的腔體上設置有電控接口，所述電控接口內有電控線，用於控制所述會聚透鏡的一維平移臺、所述反射組件、所述第一聚焦組件和所述第二聚焦組件上的螺旋測微器。

從上面所述可以看出，本發明提供的超快脈衝同步切換裝置，包括雷射發射器、延時器、雷射反射鏡、電子加速器、碰撞腔、電子偏轉器和電子束流回收裝置；通過將延時器切換進入雷射發射器產生的雷射束的傳播路徑，使雷射束能有與電子加速器產生的電子束流垂直碰撞。在延時器切換移出雷射器傳播路徑後，通過雷射反射鏡、反射組件和聚焦組件的初期安裝和調整，使雷射束能與電子加速器產生的電子束流以近似180o的迎頭碰撞，且保證雷射束的與電子束流的同步時間。

附圖說明

圖1為本發明實施例的保持超快脈衝同步的切換裝置的整體結構示意圖；

圖2為本發明實施例的保持超快脈衝同步的切換裝置的碰撞腔的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

本發明提供的

一種保持超快脈衝同步切換的裝置，包括：雷射發射器、延時器、雷射反射鏡、電子加速器、碰撞腔、電子偏轉器和電子束流回收裝置；

所述碰撞腔包括腔體，在所述腔體上方設置有第一雷射入射孔和第二雷射入射孔，在所述腔體內部對應所述第一雷射入射孔的位置處設置有會聚透鏡，在所述腔體內部對應所述第二雷射入射孔的位置處設置有反射組件，在所述腔體內部的兩側分別設置有第一聚焦組件和第二聚焦組件，所述第一聚焦組件和第二聚焦組件同軸設置，在所述第一聚焦組件和第二聚焦組件上的軸線位置處設置有電子束流孔，所述腔體內部設置有第一雷射收集器和第二雷射收集器；

所述雷射發射器產生的雷射束經所述延時器後，由所述第一雷射入射孔進入所述碰撞腔，在所述碰撞腔內經所述會聚透鏡聚焦後，與所述電子加速器產生的電子束流在所述碰撞腔內發生碰撞，之後進入所述第一雷射收集器；

所述雷射發射器產生的雷射束經所述雷射反射鏡後，由所述第二雷射入射孔進入所述碰撞腔，之後依次經所述反射組件和所述第二聚焦組件反射與電子束流碰撞後，經所述第一聚焦組件反射進入所述第二雷射收集器。

所述雷射器產生的雷射經所述延時器切換延時，選擇不同光路進入到所述碰撞腔中，與所述電子加速器產生的電子束流在所述碰撞腔內碰撞，產生X射線，碰撞後剩餘的雷射束被所述碰撞腔內的雷射收集裝置收集，電子束流經電子偏轉器偏轉後被所述電子束流回收裝置收集。

本發明提供的保持超快脈衝同步切換的裝置，通過延時器的切入來改變雷射發射器產生的雷射束的傳播方向並保持切換前後的光程相同，使雷射束能與電子加速器產生的電子束流發生時間同步的垂直碰撞；當延時器切換移出雷射光路的初始狀態中，通過雷射反射鏡、反射組件和聚焦組件的初期安裝和調整，使雷射束能與電子加速器產生的電子束流發生時間同步的近似180o的迎頭碰撞。

如圖1所示，為本發明實施例的保持超快脈衝同步切換裝置的整體結構示意圖。從圖中可以看出，本實施例的超快脈衝同步切換裝置包括雷射發射器1、延時器2、雷射反射鏡3、電子加速器4、碰撞腔5、電子偏轉器6和電子束流回收裝置7；其中，所述雷射發射器1用於產生雷射束，具體為單脈衝能量1焦耳、重頻100Hz、脈衝寬度小於100fs的超快雷射束，所述延時器2用於切換雷射束的光路，所述雷射反射鏡3用於垂直反射雷射束進入碰撞腔，所述電子加速器4用於產生電子束流，具體為2ps長度、60MeV能量的電子束流，雷射束和電子束流在所述碰撞腔5內碰撞，產生X射線，完成碰撞後的電子束流在所述電子偏轉器6的偏轉作用下進入到所述電子束流回收裝置7中。

如圖2所示，為本發明實施例的保持超快脈衝的同步切換裝置的碰撞腔的結構示意圖。所述碰撞腔5包括腔體，在所述腔體上方設置有第一雷射入射孔501和第二雷射入射孔502，在所述腔體內部對應所述第二雷射入射孔502的位置處設置有反射組件503，在所述腔體內部的兩側分別設置有第一聚焦組件504和第二聚焦組件505，所述第一聚焦組件504和第二聚焦組件505同軸設置，在所述第一聚焦組件504和第二聚焦組件505上的軸線位置處設置有電子束流孔，所述腔體內部還設置有第一雷射收集器506和第二雷射收集器507。在所述腔體內部對應所述第一雷射入射孔501的位置處設置有會聚透鏡510，經所述第一雷射入501射孔入射的雷射束經會聚透鏡510聚焦後垂直與電子束流碰撞後進入所述第一激506光收集器。經所述第二雷射入射孔502入射的雷射束依次經所述反射組件503和所述第一聚焦組件504反射後與電子束流碰撞，並經所述第二聚焦組件505反射進入所述第二雷射收集器507中；

所述會聚透鏡510下設置有一維平移臺，通過調節所述一維平移臺，調整所述雷射聚焦焦點位置。

所述第一聚焦組件504和第二聚焦組件505結構相同且在豎直平面內在碰撞點兩側對稱設置，其中所述第一聚焦組件504和第二聚焦組件505上設置有螺旋測微器，通過所述螺旋測微器調整所述弧面反射鏡角度。

所述反射組件503上設置有螺旋測微器，通過所述螺旋測微器調整所述反射組件角度。

所述碰撞腔的腔體的左右兩側分別設置有電子束流入射孔和電子束流出射孔。

為了將所述碰撞腔內抽成真空狀態，所述碰撞腔的腔體上設置有真空泵接口509。

此外，所述碰撞腔的腔體上設置有電控接口508，所述電控接口內有電控線，用於控制所述反射組件、所述第一聚焦組件和所述第二聚焦組件上的螺旋測微器。

當所述超快脈衝同步切換裝置工作時，雷射發射器產生的單脈衝能量1焦耳、重頻100Hz、脈衝寬度小於100fs的超快雷射束經過準直後進入延時器，所述延時器內設置有三面反射鏡，當延時器切換進入雷射傳播路徑時，雷射束經延時器內的三面鏡片反射後經第一雷射入射孔進入碰撞腔。其中，經第一雷射入射孔進入碰撞腔的雷射束經會聚透鏡聚焦並與電子束流垂直碰撞，實現飛秒脈衝的X射線輸出，之後進入第一雷射收集器。當延時器切換移出雷射傳播路徑時，雷射束經雷射反射鏡反射後經第二雷射入射孔進入碰撞腔，先後經過反射組件和第一聚焦組件的反射後，與電子束流發生近似於迎面相向碰撞，實現高平均束流皮秒脈衝X射線輸出，之後經第二聚焦組件反射後進入第二雷射收集器。在延時器切換進入第一雷射入射孔的傳播路徑，使雷射束與電子束髮生垂直碰撞時，可以通過調整延時器內的所述三面鏡片中上方兩面反射鏡的上下位置，控制經第一雷射入射孔入射到碰撞腔內的雷射束到達與電子束流碰撞點的光程，保證與經第二雷射入射孔入射到碰撞腔內的雷射束到達與電子束流碰撞點的光程相等。由於電子束團的長度最大只有2ps，超快飛秒雷射脈衝寬度小於100fs，為控制雷射-電子束團碰撞的誤差精度在1fs量級，反映在長度尺度上也就是10～15s×3*108m/s≈1μm，則要求對延時器內上方兩片反射鏡位移大小控制在1μm水平。因此，利用螺旋測微器精密調整延時器內兩片反射鏡的位置，使上述兩光程精確相等，確保與電子束流的時序同步，保證雷射束與高能電子束流的同步碰撞，大大降低光路調節的複雜度。

需要說明的是，本發明實施例中所有使用「第一」和「第二」的表述均是為了區分兩個相同名稱非相同的實體或者非相同的參量，可見「第一」「第二」僅為了表述的方便，不應理解為對本發明實施例的限定，後續實施例對此不再一一說明。

所屬領域的普通技術人員應當理解：以上任何實施例的討論僅為示例性的，並非旨在暗示本公開的範圍(包括權利要求)被限於這些例子；在本發明的思路下，以上實施例或者不同實施例中的技術特徵之間也可以進行組合，步驟可以以任意順序實現，並存在如上所述的本發明的不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細節中提供。

另外，為簡化說明和討論，並且為了不會使本發明難以理解，在所提供的附圖中可以示出或可以不示出與集成電路(IC)晶片和其它部件的公知的電源/接地連接。此外，可以以框圖的形式示出裝置，以便避免使本發明難以理解，並且這也考慮了以下事實，即關於這些框圖裝置的實施方式的細節是高度取決於將要實施本發明的平臺的(即，這些細節應當完全處於本領域技術人員的理解範圍內)。在闡述了具體細節(例如，電路)以描述本發明的示例性實施例的情況下，對本領域技術人員來說顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節的情況下或者這些具體細節有變化的情況下實施本發明。因此，這些描述應被認為是說明性的而不是限制性的。

儘管已經結合了本發明的具體實施例對本發明進行了描述，但是根據前面的描述，這些實施例的很多替換、修改和變型對本領域普通技術人員來說將是顯而易見的。

本發明的實施例旨在涵蓋落入所附權利要求的寬泛範圍之內的所有這樣的替換、修改和變型。因此，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何省略、修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。