Comment to the paper: 'Seeded quantum FEL at 478 keV' AIP Conf. Proc. 'Light at Extreme Intensities' 1462 173-176 (2012)'
我们批评了论文'Seeded quantum FEL at 478 keV' AIP Conf. Proc.'Light at Extreme Intensities'，1462 173-176（2012），其提出了通过由125 MeV的电子束驱动的种子量子FEL产生478 KeV的伽马射线的可能性，电流I=40 A，与红外激光相互作用。我们表明，在分析的情况下，自由电子激光皮尔斯参数的值两个数量级小于所声称的文件中的问题，推翻了分析的结论。
2012-12-19 physics.acc-ph quant-ph
Way to increase the user access at the LCLS baseline
LCLS光束是为单个用户设计的，但基线波荡器足够长，可以同时为两个用户服务。为此，我们提出了一个由两个元素组成的设置：用于X射线束偏转的X射线反射镜对，和4米长的磁弯道，其在基线波荡器的中间为反射镜对安装创建偏移。可插入反射镜对可以在空间上分离在基线波荡器的第一半部和第二半部中生成的X射线束。自由电子激光放大过程的快速切换允许去激活波荡器的一半并激活波荡器的另一半。如在别处提出的，使用安装在LCLS基线波荡器上游的冲击器和波荡器的前半部分中的已经存在的校正器，可以将X射线束从一个用户快速切换到另一个用户。模拟结果表明，在同一个基线波荡器中，可以产生两束在0.8-8 keV光子能量范围内的饱和SASE X射线束。它可以为两个用户服务。我们的技术不干扰LCLS波荡器的基线操作模式。此外，磁弯道设置是非常灵活的，可以作为一个自我播种设置太多。我们目前的LCLS基线波荡器与SHAB的模拟结果。人们可以产生二次谐波和一次谐波的单色辐射。我们描述了一种有效的方式获得多用户操作在LCLS硬X射线自由电子激光。为此，提出了一种基于在布拉格反射几何结构中使用晶体的光子束分布系统。晶体偏转器的反射率可以通过用压电器件翻转晶体来足够快地切换。单色硬X射线可以分布在6个独立的实验室中，从而使6个用户能够在近距离和远距离的实验室中并行工作。
2010-10-04 physics.acc-ph
High brightness and fully coherent x-ray pulses from XFELO seeded high-gain FEL schemes
硬X射线自注入实验在LCLS的成功运行开启了全相干硬X射线自由电子激光（FEL）的时代。然而，拍摄到拍摄的辐射波动仍然是一个严重的问题。本文提出并研究了利用X射线振荡器产生的窄带宽辐射信号作为种子源的高增益、单通X射线自由电子激光方案，以期产生高亮度、完全相干、稳定的X射线脉冲。建立了一个简单的模型，计算了X射线自由电子激光振荡器输出脉冲的时间结构和光谱结构。并分别考虑了使用两个同步加速器和使用一个加速器的方案。
2013-05-06 physics.acc-ph physics.optics
Seeded quantum FEL at 478 keV
首次提出了478 keV的种子γ量子自由电子激光器（QFEL）的概念，它与经典的量子自由电子激光器相比具有非常不同的性质。基本概念是通过SASE产生高亮度γ束。为了产生高强度的相干γ束，我们打算采用种子自由电子激光方案。对于这种γ束的产生来说，重要的是用于聚焦的新型折射γ透镜和有效的单色器，其允许产生非常强烈和相干的种子束。γ射线束的能量为478 keV，对应于亚强流区（1/38 λ）的波长。为了实现478 keV的相干γ束，必须采用量子自由电子激光设计。在如此高的辐射能量下，γ-自由电子激光的经典描述是错误的。
2012-01-23 physics.acc-ph physics.optics
Retention of Attosecond Pulse Structure in an HHG Seeded FEL Amplifier
本文提出了一个模型，证明了在自由电子激光放大器中，高次谐波产生（HHG）种子的阿秒脉冲结构可以保持到饱和。在~ 12 nm波长的阿秒脉冲宽度约300阿秒的训练的峰值功率超过1 GW的预测从全三维模拟。改进这些结果的方法进行了讨论。
2008-09-04 physics.acc-ph physics.optics
Optimization of a high efficiency FEL amplifier
提高自由电子激光放大器效率的问题现在具有很大的实际意义。波荡器在饱和后逐渐变细的技术已在现有的X射线自由电子激光LCLS和SACLA中使用，并计划在欧洲XFEL、瑞士FEL和PAL XFEL中使用。此外，还讨论了高峰值和平均功率自由电子激光器在科学和工业应用方面的前景。在本文中，我们进行了详细的分析高功率种子自由电子激光放大器的锥形策略。相似技术的应用使我们能够推导出波荡器锥化的普遍规律。
2014-10-22 physics.acc-ph
ATCA LLRF System for ASU Compact FEL
SLAC国家加速器实验室正在与亚利桑那州立大学合作，设计一个LLRF系统，以推进ASU紧凑型X射线光源（CXLS）。CXLS是一个分阶段的项目，旨在开发小型明亮X射线源，这些X射线源可以产生适合作为LCLS和LCLS II种子源的相干X射线。CXLS电子束是由X波段光注入器和直线加速器产生的，工作频率为9.3 GHz，重复频率为1 kHz，每束流高达300 pC。直线加速器由3个短的20室的驻波直线加速器段组成。RF枪和直线加速器部分由两个使用L3速调管和Scandi-nova K1调制器的6 MW发射机供电。加速器最初将以单束团模式运行，并可能在稍后升级为多束团运行。SLAC国家实验室已经为ASU项目开发了高级电信计算架构（ATCA）中的LLRF系统。本演讲将讨论该项目的LLRF设计，并讨论ATCA的实现。
2019-10-01 physics.acc-ph
Beam energy distribution influences on density modulation efficiency in seeded free-electron lasers
波荡器系统入口处的束流能散对高增益种子自由电子激光的有效密度调制至关重要。本文研究了高增益谐波产生（HGHG）、回波激励谐波产生（EEHG）和相位合并增强谐波产生（PEHG）方案中高次谐波微聚束效应与电子能散分布的关系。理论研究和多维数值模拟的情况下，均匀和鞍形光束的能量分布，并与传统的高斯分布。结果表明，均匀和鞍形电子能量分布显著提高了HGHG自由电子激光器的性能，而对EEHG和PEHG方案几乎没有影响。数值计算表明，在84 keV RMS均匀和/或鞍形片能散的条件下，软X射线自由电子激光装置的单级注入方案可以直接产生30次谐波辐射。
2014-12-31 physics.acc-ph
Free electron laser seeded by betatron radiation
本文介绍了用电子感应加速器辐射作为自由电子激光（FEL）的种子源。该方案适用于所有等离子体加速电子束驱动的自由电子激光器。在等离子体加速过程中，电子通过电离气体时确实会产生以宽光谱为特征的X射线区域的强辐射，即电子感应加速器辐射。建议使用适当选择波长并适当同步的这种辐射来激发自由电子激光的发射。
2022-09-21 physics.acc-ph
Generation of doublet spectral lines at self-seeded X-ray FELs
自注入方案由两个波荡器和一个单色器组成，旨在减小SASE X射线自由电子激光的带宽。我们最近提出了一种新的单色化方法，利用布拉格传输几何的单晶在硬X射线范围内进行自播种。一个简单的扩展是使用这种单色器设置，其中两个或更多个晶体串联排列，以在自由电子激光增益带内的两个紧密间隔的波长处对SASE辐射进行光谱滤波。这允许产生双重或多重谱线。应用涉及在窄波长范围内截面变化大的任何过程，如在多波长异常衍射中。在这里，我们考虑的LCLS硬X射线自由电子激光在两个紧密间隔的波长的同时操作。我们目前的LCLS基线的模拟结果，产生两个纵向模式之间共享的完全相干辐射。模式间隔可以很容易地在自由电子激光增益带内调谐。的XFEL输出强度包含振荡的“模式拍”的组成部分，其频率是有关的纵向模式之间的频率差考虑。在饱和时，获得自由电子激光引起的调制的能量损失和能量扩散的电子束团在光频率，这可以转换成密度调制在相同的光频率使用弱的弯道安装在基线波荡器后面。在光学跃迁辐射（OTR）站的帮助下，可以产生强大的相干辐射。我们还考虑了如何的双重结构的XFEL产生光谱可以监测的光谱仪。OTR相干辐射脉冲自然地与X射线脉冲同步，并且可以用于将XFEL定时为具有飞秒精度的高功率常规激光器，用于泵浦探测应用。
2010-11-17 physics.acc-ph
High brightness fully coherent X-ray amplifier seeded by a free-electron laser oscillator
X射线自由电子激光振荡器（XFELO）有望成为产生全相干X射线激光的前沿工具，而波荡器锥度技术是提高自由电子激光（FELs）效率的有效方法。为了结合这两种方案的优点，提出了一种简单的利用啁啾电子束的XFELO种子自由电子激光放大器。通过选择合适的光束参数，束团尾部在XFELO的增益带宽内，激光达到饱和，这将作为进一步放大的种子。同时，在XFELO的增益带宽之外的束团头被保留下来，并用于后续的自由电子激光放大器。结果表明，束流自然的“双喇叭”效应和回旋压缩器的剩余能量啁啾都很适合于这种新方案。继承XFELO播种和波荡器锥形化的优点，可以产生近太瓦级的完全相干X射线脉冲，具有前所未有的拍摄到拍摄的稳定性，这可能会在各个研究领域开辟新的科学机会。
2017-11-03 physics.acc-ph
Tapering studies for Terawatt level X-ray FELs with a superconducting undulator
我们研究了一个短周期，小于2厘米，超导波荡器的锥形优化方案，并表明，它可以产生4 keV的X射线脉冲，峰值功率超过1太瓦，使用LCLS电子束参数。我们研究了连续和阶梯形锥形光波导中，波荡器模块长度对自由电子激光增益长度的影响。在最佳截面长度为1.5m时，我们研究了两种不同超导技术NbTi和Nb_3Sn的自由电子激光过程的演变。我们讨论了限制最大输出功率的主要因素，饱和位置附近的粒子脱陷以及由于边带模的产生和放大而引起的随时间变化的脱陷。
2015-01-24 physics.acc-ph
Fast longitudinal beam dynamics optimization in x-ray FEL linear accelerators
对于下一代光源中的高效X射线自由电子激光（FEL）辐射来说，高峰值电流、平坦的纵向相空间电子束是理想的。为了获得这样的束流，需要包括线性和非线性效应的直线加速器（linac）的广泛设计。在本文中，我们提出了一个集总纵向束动力学模型的快速优化的电子束通过加速器的纵向相空间。该模型比现有的跟踪程序快得多，并且与全三维逐元素多粒子模拟也显示出良好的一致性。我们将此模型应用于一个并行的多目标差分进化优化程序，现有的LCLS-II超导直线加速器的设计，并获得了显着更高的核心峰值电流比原设计的最佳解决方案。
2019-08-09 physics.acc-ph
Coherent photon beam based diagnostics for a seeded extreme ultraviolet free-electron laser
独立于基于电子束的过程，基于光子束的诊断是用于高增益短波长自由电子激光（FEL）中的众多波荡器单元的对准和调试的替代方式。利用种子激光调制电子束和波荡器微调技术，提出了种子自由电子激光相干光子束诊断方法，并给出了在上海深紫外自由电子激光实验装置上的初步实验结果。它表明，从一个单独的或两个连续的波荡器段的相干谐波辐射的空间分布可以用来优化电子束轨迹，以验证波荡器磁隙，并调整两个波荡器段之间的相位匹配。
2013-12-08 physics.acc-ph physics.optics
Self-Amplification of Coherent Energy Modulation in Seeded Free-Electron Lasers
用于物质时间分辨精细分析的光谱技术需要具有飞秒持续时间和高平均亮度的相干X射线辐射。种子自由电子激光（FEL）利用外部种子激光的频率上转换来提高时间相干性，是提供完全相干软X射线脉冲的理想选择。然而，由于目前最先进的激光系统的限制，很难以高重复率操作种子自由电子激光器。在这里，我们报告了一种新的自调制方法，用于增强激光诱导的能量调制，从而显着降低了对外部激光系统的要求。在此方案的驱动下，我们在实验上实现了种子自由电子激光器中的高次谐波产生。具有小至1.8倍切片能量扩展的激光诱导能量调制的电子束用于在单级高增益谐波产生（HGHG）设置中的266 nm种子激光器的第7谐波和在两级HGHG设置中的种子激光器的第30谐波处激射。这些结果标志着向高重复率、完全相干的X射线自由电子激光迈出了重要的一步。
2021-02-12 physics.acc-ph physics.optics
Quantum state features of the FEL radiation from the occupation number statistics
自由电子激光（FELs），无论是自放大自发发射（SASE-FELs）还是种子发射（seeded-FELs），其辐射的统计特性都受到人们越来越多的关注，因为这类光可以用来探测物质的高能态及其动力学。虽然到目前为止进行的实验研究主要集中在关联函数，在这里，我们转移到重建的辐射能态的占据数的分布的重点。为了避免光子计数技术在涉及大量光子时的各种缺点，我们提出了一种基于无卡嗒事件统计的自由电子激光辐射态能量本征基对角元的极大似然重构方法.这种新的方法的最终目的是自由电子激光辐射统计的实验证实，SASE-FEL辐射表现出热占据数统计，而种子自由电子激光光泊松统计典型的相干态，从而激光。在这个框架中，有趣的是，这项工作的结果可以扩展到任何从相干光脉冲产生谐波的过程，打开大门，研究从统计光子数波动推导出的原始独特量子特征在非线性光学过程中被保留的程度。
2021-07-22 physics.acc-ph quant-ph
Obtaining high degree of circular polarization at X-ray FELs via a reverse undulator taper
典型的X射线FEL波荡器的基线设计假定平面配置，这导致FEL辐射的线性偏振。然而，许多实验在X射线自由电子激光用户设施将受益于使用圆偏振辐射。作为一个廉价的升级，可以考虑安装一个短的螺旋（或交叉平面）加力燃烧室，但然后应该有一个有效的方法来抑制强大的线性偏振背景从主波荡器。在本文中，我们提出了一种新的方法，这样的抑制：在主波荡器的倒锥的应用。我们发现，在一定范围内的锥度强度，密度调制（聚束）在饱和实际上是相同的情况下的非锥形波荡器，而线性偏振辐射的功率被抑制的数量级。然后强调制电子束在加力燃烧室中以全功率辐射。以欧洲XFEL的SASE 3波荡器为例，证明了可以产生峰值功率超过100 GW的软X射线辐射脉冲，并最终获得高圆偏振度。所提出的方法是相当普遍的，即它可以用于SASE自由电子激光和种子（自种子）自由电子激光，与任何波长的兴趣，在广泛的电子束参数，并与任何重复率。它可以用于不同的X射线自由电子激光装置，特别是在不久的将来安装螺旋加力燃烧室后的LCLS。
2013-08-15 physics.acc-ph
Self-enhanced coherent harmonic amplification in seeded free-electron lasers
提出基于自调制和超辐射的种子自由电子激光新方案，在MHz重复率下产生水窗范围内约2GW的飞秒软X射线脉冲，实验验证了高达15次谐波的自增强相干信号产生。
2023-06-29 physics.acc-ph physics.optics
Maximizing Spectral Flux from Self-Seeding Hard X-ray FELs
完全相干的X射线可以通过自注入X射线自由电子激光（XFEL）产生。最近已经提出了通过前向布拉格衍射（FBD）单色器的自播种[1]并证明了[2]。FBD的特征时间To决定FBD种子的功率、频谱和时间特征[3]。在这里，我们证明了对于给定的电子聚束持续时间σ_e，自注入XFEL的光谱通量可以被最大化，并且光谱带宽可以分别通过选择To ~ σ_e/pi和通过优化电子聚束延迟τ_e而被最小化。To和tau_e的选择不是唯一的。在所有情况下，光谱通量的最大值和最小带宽主要由sigma_e确定。双色播种发生在To >> sigma_e/π。对高斯电子聚束分布进行了研究，其参数接近LCLS XFEL的短聚束（sigma_e ~ 5 fs）和长聚束（sigma_e ~ 20 fs）操作模式中使用的参数。
2013-09-20 physics.acc-ph
Generation of high-power attosecond x-ray FEL pulses carrying orbital angular momentum
本文提出利用SSOAM方案产生高强度阿秒X射线涡旋脉冲，模拟显示其峰值功率可超过100 GW且脉宽达数百阿秒量级。
2025-06-07 physics.acc-ph
Improvement of the crossed undulator design for effective circular polarization control in X-ray FELs
产生具有高度圆偏振的X射线辐射是XFEL设施的一个重要目标。到目前为止，已经提出了一种简单的方案，以获得圆偏振控制的交叉波荡器。在其最简单的配置中，交叉波荡器包括由电磁移相器分开的处于交叉位置的一对短平面波荡器。这种配置的优点是快速螺旋度切换。缺点在于，仅对于插入设备的长度显著短于增益长度，即，在输出功率显著低于饱和功率水平时，才能实现高程度的圆偏振（超过90%）。在本文中考虑的明显的和技术上可能的扩展是使用具有由移相器分离的两个或更多个交叉波荡器的设置。这种级联交叉波荡器方案在性能上具有快速的螺旋度切换、高圆偏振度（超过95%）和高输出功率水平，与基本波长处的基线波荡器中的饱和功率水平相当。我们目前的可行性研究和例证LCLS基线在软X射线制度。
2011-01-21 physics.acc-ph
Few-Cycle Pulse Generation in an X-Ray Free-Electron Laser
本文提出了一种从自由电子激光（FEL）放大器中通过一个紧凑的“加力燃烧室”扩展产生几个周期的X射线脉冲串的方法。模拟结果表明，在硬X射线（波长~0.1 nm，光子能量~10 keV）中，当峰值功率接近正常自由电子激光饱和（GW）水平时，可获得均方根脉冲宽度为700泽秒。这比正常自由电子激光放大器工作时可能的幅度大约短两个数量级。光谱是离散多色的带宽包络增加了约两个数量级的非种子自由电子激光放大器操作。这样的来源将大大增加原子动力学的研究机会，并推动核动力学的能力。
2012-12-10 physics.acc-ph
Harmonic lasing in X-ray FELs
平面波荡器自由电子激光器中的谐波激射（在基频被抑制的条件下）可能是扩展现有和计划中的X射线自由电子激光装置波长范围的一种廉价而有效的方法。与非线性谐波产生相反，谐波激光可以提供更强、更稳定、更容易处理的窄带自由电子激光光束，这是由于谐波激光的基频受到抑制。本文对奇次谐波激光本征方程的解进行了参数化处理，并给出了自由电子激光增益长度的显式表达式。我们提出并讨论了抑制基波的方法。为了减小带宽和提高X射线束在饱和时的亮度，我们还提出了谐波激射和基波长调谐激射相结合的方法。以三次谐波激光为例，说明三次谐波激光比通常认为的要稳健得多，可以广泛应用于现有或计划中的X射线自由电子激光装置中。特别地，LCLS在微小修改之后可以在高达25-30 keV的光子能量的第三谐波处激光到饱和，提供数千兆瓦的功率水平和窄带宽。至于欧洲XFEL，谐波激光将允许扩展操作范围（最终高达100千电子伏），以减少自由电子激光带宽和增加亮度，使双色操作的泵浦探测实验，并提供更灵活的操作在不同的电子能量。最后，本文还发现在X射线自由电子激光装置软X射线光束线（如欧洲的SASE-3光束线）的工作范围内，谐波的增长速度可以超过基波的增长速度。
2012-05-11 physics.acc-ph
Three-Dimensional, Time-Dependent Simulation of Free-Electron Lasers with Planar, Helical, and Elliptical Undulators
自由电子激光（FEL）的波长范围从长波长振荡器到硬X射线的分波引导，或者是种子或者是从噪声（SASE）开始。此外，目前正在研究产生从线性到椭圆形到圆偏振的输出辐射的不同偏振的自由电子激光。在本文中，我们开发了一个三维的，与时间相关的配方，是能够模拟这种大量的各种自由电子激光配置，包括不同的偏振。我们采用光场的模式展开，即，一个高斯展开与可变偏振的自由空间传播。该公式使用完整的牛顿-洛伦兹力方程来跟踪穿过光场和静磁场的粒子。结果，实现了用于不同波荡器配置的任意三维表示，包括平面、螺旋和椭圆波荡器。特别是，我们提出了一个分析模型的APPLE-II波荡器治疗任意椭圆偏振。为了模拟振荡器的配置，并允许波荡器外的光场的传播，并与光学元件相互作用，我们链接的自由电子激光模拟与光传播代码OPC。我们提出了模拟使用APPLE-II波荡器模型产生椭圆偏振输出辐射，并提出了一个详细的比较与最近的实验使用锥形波荡器配置在直线加速器相干光源。验证的非线性形成也示出了在ENEA弗拉斯卡蒂，种子锥形放大器实验在布鲁克海文国家实验室，和10千瓦的升级振荡器实验在托马斯杰斐逊国家加速器设施的实验结果比较，在ESASE自由电子激光实验。
2016-11-05 physics.acc-ph
Enhanced Self-seeding with Ultra-short Electron Beams
描述了一种在自注入自由电子激光器中产生强度稳定、高相干、窄带X光脉冲的新方法。该方法使用超短电子束产生具有宽相干带宽的单尖峰自由电子激光脉冲。然后，自播种单色器将该脉冲的窄光谱区域切出，以被电子束的长部分放大到完全饱和。与典型的自播种噪声SASE脉冲单色化导致大的强度波动或多个频率相比，我们表明，这种方法产生了一个稳定的，相干的FEL输出脉冲的统计特性类似于一个完全相干的光学激光。
2020-04-09 physics.acc-ph
High-repetition-rate seeded free-electron laser enhanced by self-modulation
最近，已经提出了弱预聚束电子束的自调制方案[Yan等人，Physical Review Letters 126，084801（2021）]，其对于高重复率种子自由电子激光（FEL）（例如高增益谐波产生（HGHG））具有很大的希望。本文对自调制方案进行了系统的分析和优化，并进一步进行了自调制器谐振在种子激光二次谐波处的实验。三维数值模拟结果表明，通过优化光束尺寸或峰值电流，自调制方案中所需的种子激光强度比标准HGHG低约3个数量级。更重要的是，通过合理设置自调制器的初始能量调制和谐振频率，单级HGHG可以获得更显著的聚束因子和种子激光30次谐波输出。此外，实验结果证实，改变自调制器的谐振条件仍然可以放大激光诱导的能量调制，其中甚至可以观察到在12次谐波处产生的相干辐射。结果表明，自调制方案在提高谐波上转换效率的同时，显著降低了对种子激光系统的要求，为实现高重复频率全相干软X射线自由电子激光器奠定了基础。
2022-06-07 physics.acc-ph physics.optics
Fully coherent hard X-ray generation by two-stage of Phase-merging Enhanced Harmonic Generation
种子自由电子激光级联是产生全相干X射线辐射的一种有效方法。本文研究了一种新的产生相干硬X射线的方法，即级联最近提出的相位合并增强谐波产生（PEHG）。该方案包括一个狗腿和两个PEHG配置，这可能是未来X射线自由电子激光装置的提取波荡器分支的主要候选人之一。实验结果表明，该方案在现有技术条件下是可行的，能够产生高亮度、窄带宽、完全相干的X射线辐射脉冲，初始200 nm种子激光转换后的1埃波长辐射峰值功率超过2 GW。
2016-02-23 physics.acc-ph
A self-consistent refractive index model for fast simulation of free-electron lasers
现代X射线自由电子激光（XFEL）产生具有特殊横向相干性的X射线脉冲。这在很大程度上是由于光学引导的过程，通过该过程，辐射既被聚束电子束折射引导，又被轴上辐射的优先放大增益引导。这些影响可以概括为一个有效折射率，这在过去已经被用来研究的横向动态的自由电子激光过程中有显着的简化和近似，但从来没有完全自洽。我们在这里提出了一个自洽的方法来研究高增益的自由电子激光在线性政权的自由电子激光方程近似到二阶的横向位移从标称电子束轴。这是通过铸造的自由电子激光方程的语言与适当选择的折射率的光纤。我们证明，这种方法是快速和高度准确的，表明最重要的自由电子激光动力学本质上是二阶的。在其完整形式下，我们的方法可以捕获X射线束和电子束中横向偏移的影响，使其成为研究种子自由电子激光、再生放大器XFEL甚至自放大自发发射中非理想效应的通用工具。（SASE）自由电子激光。
2021-04-16 physics.acc-ph
High Efficiency, Multi-Terawatt X-ray free electron lasers
本文研究了高效率、峰值功率达几太瓦、波长为几埃的X射线自由电子激光器。为了获得这些特性，我们考虑一个优化的波荡器设计：超导，螺旋，具有短周期和内置的强聚焦。这种设计减少了模块之间的断裂长度，降低了衍射效应，并允许使用更强的横向电子聚焦。这两种效应都减小了增益长度和总体波荡器长度。峰值功率和效率取决于横向电子束分布和时间依赖效应，如同步加速器边带生长。最后一种效应被认为是电子束微聚束和自由电子激光峰值功率降低的主要原因。我们表明，波荡器磁场锥形轮廓，产生最大输出功率的最佳函数形式，显着依赖于这些效果。当忽略时间相关效应时，具有100 m长锥形波荡器的类LCLS X射线自由电子激光器的输出功率为7.3 TW，电子束能量提取效率为14 $\%$。当包括这些效应时，实现最高峰值功率，降低锥形率，从而最小化由于同步加速器边带生长引起的电子微聚束的减少。在这种情况下获得的最大效率为9 $\%$，对应于4.7 TW峰值辐射功率。讨论了抑制同步辐射边带，进一步提高自由电子激光峰值功率的可能方法。
2015-08-20 physics.acc-ph
CW SRF Gun generating beam parameters sufficient for CW hard-X-ray FEL
本文展示了利用已运行10年的CW SRF电子枪结合聚束腔和弹道压缩，产生满足硬X射线FEL要求的100 pC、15 ps电子束，发射度达0.2 mm-mrad，为CW硬X射线FEL提供了一种基于成熟技术的替代方案。
2025-11-10 physics.acc-ph
Self-Seeded Free-Electron Lasers with Orbital Angular Momentum
携带轨道角动量（OAM）的X射线束是探测物质的新兴工具。光学元件，如螺旋相位板和波带板，已被广泛用于产生OAM光。然而，由于高的撞击强度，这些光学器件在X射线自由电子激光（XFEL）处使用是具有挑战性的。在这里，我们提出了一种自种子自由电子激光方法产生强烈的X射线涡旋。与放大后的无源滤波不同，光学元件将用于在线性状态中引入螺旋相位，从而显著降低光学元件上的热负荷。然后，所生成的OAM脉冲被用作种子并被显著放大。理论分析和数值模拟表明，OAM种子脉冲的功率可以放大两个数量级以上，达到几十千兆瓦的峰值功率。该方法为获得高功率、高重复频率的自由电子激光OAM脉冲奠定了基础。
2022-08-18 physics.acc-ph physics.optics
Self-seeding scheme with gas monochromator for narrow-bandwidth soft X-ray FELs
自注入方案由两个波荡器和一个单色器组成，旨在减小SASE X射线自由电子激光的带宽。我们最近提出了一种新的单色化方法，利用布拉格传输几何中的单晶在硬X射线范围内进行自播种。在这里，我们认为这种方法的一个可能的扩展到软X射线范围内使用的细胞充满了共振吸收气体作为单色。气体中的透射光谱表现出窄带宽的吸收共振。然后，类似于硬X射线情况，发射的辐射脉冲的时间波形的特征在于长单色尾流。事实上，自由电子激光脉冲迫使气体原子以与向前传播的单色辐射束一致的方式振荡。尾流中的辐射功率远大于电子聚束中的等效散粒噪声散粒噪声功率。进一步地，辐射脉冲的单色尾流与延迟的电子聚束组合并且在第二波荡器中被放大。所提出的设置非常简单，并且由少至两个简单的元件组成。这些是气室，充满惰性气体，和一个短的磁性弯道。磁弯道的安装不会扰动波荡器聚焦系统，并且不会干扰基线操作模式。在本文中，我们评估的基础上使用的He和Ne的气体单色器的特性。我们分析了单色仪气室内外的过程，也涉及了差动泵送系统的性能。我们研究了使用所提出的自接种技术在LCLS-II软X射线束线中产生窄带宽软X射线辐射的可行性。我们提出的概念设计，技术实现和预期的性能的气体单色器自播种计划。
2011-03-25 physics.acc-ph
Wakefield issue and its impact on X-ray photon pulse in the SXFEL test facility
在实际的自由电子激光（FEL）装置中，除了设计的束流加速外，纵向尾流场也会改变电子的能量，使FEL的性能偏离理论预期。本文采用数值模拟方法，对上海软X射线自由电子激光二级种子实验装置中复杂波荡器段的尾流场引起的束流能量损失进行了计算。虽然第一级44 nm自由电子激光输出几乎不受尾流场的影响，但发现约0.8 MeV的束流能量损失使第二级8.8 nm自由电子激光的峰值亮度降低了1.6倍，然而这可以通过每个波荡器段的磁场微调来补偿。
2015-12-17 physics.acc-ph physics.optics
FEL Gain Enhancement in an Optical Klystron
Military Academy after Vazgen Sargsyan MoD RA（瓦兹根·萨尔基相军事学院）；A.I. Alikhanyan National Science Laboratory (Yerevan Physics Institute)（阿·伊·阿里哈尼扬国家科学实验室（叶里凡物理研究所））
本研究通过光学克里斯特逊器结构优化，提升自由电子激光在X射线范围内的增益系数，实验显示在最佳距离下增益可达约90。
2025-12-16 hep-ex physics.acc-ph physics.app-ph
Scheme for generation of fully-coherent, TW power level hard X-ray pulses from baseline undulators at the European X-ray FEL
提高X射线自由电子激光（XFEL）输出功率的最有希望的方法是使波荡器的磁场逐渐变细。此外，通过从单色种子而不是从噪声开始FEL过程，可以实现功率的显著增加。本报告建议利用级联自播种计划与尾单色器在可调间隙基线波荡器在欧洲XFEL创建一个源能够提供前所未有的特性在硬X射线波长的相干辐射。与SASE X射线自由电子激光参数相比，新光源的辐射具有三个真正独特的方面：完全的纵向和横向相干性，峰值亮度比LCLS目前可用的高三个数量级。此外，新的源将产生硬X射线束在非常峰值（TW）和平均（kW）的功率水平。因此，所提出的源可以彻底改变单生物分子成像，非弹性散射和核共振散射等领域。尾流单色器的自播种方案是非常紧凑的，并且几乎不需要成本和时间来实现。本文中提出的升级可以在欧洲XFEL的调试阶段进行，从运行一开始就开辟了广泛的新应用范围。我们目前的可行性研究和欧洲XFEL的SASE 2线的examplifications。
2010-07-16 physics.acc-ph physics.optics
First high peak and average power single-pass THz FEL based on high brightness photoinjector
本文报告了基于高亮度光电注入器的单程太赫兹自由电子激光器的首批实验结果，在100微米波长下产生高功率、高重复频率的窄带太赫兹脉冲，验证了其作为可调谐太赫兹源的可行性。
2024-05-29 physics.acc-ph
Cascade self-seeding scheme with wake monochromator for narrow-bandwidth X-ray FELs
到目前为止，已经提出了三种不同的方法来从基线XFEL波荡器产生高度单色的X射线：（i）具有布拉格反射几何中的四晶体单色器的单束团自播种方案;（ii）具有布拉格反射几何中的四晶体单色器的双束团自播种方案;（iii）具有尾流单色器的单束团自播种方案。最后一种方案的X射线光学设计的独特元素是使用布拉格透射几何中的单晶的X射线的单色化。这种方法的一个很大的优点是单色器不引入X射线的路径延迟。这一事实消除了需要一个长的电子束旁路，或创建两个精确分离的，相同的电子聚束，在其他两个自播种计划所需的。在其最简单的配置中，自籽晶XFEL由单色器分隔的输入波荡器和输出波荡器组成。在某些实验情况下，这种最简单的双波荡器配置不是最佳的。显而易见的和技术上可能的扩展是使用三个或更多个由单色器分开的波荡器的设置。这种放大-单色化级联方案在性能上的区别在于晶体的热负荷小和输出辐射的光谱纯度高。本文介绍了这种叶栅自引射方案。我们目前的可行性研究和欧洲XFEL的SASE 2线的范例。
2010-06-10 physics.acc-ph
Two-bunch seeding of soft X-ray free electron lasers
本文提出一种用于软X射线自由电子激光的双束团种子注入方案，通过低电流种子束团与高电流放大束团的配合，有效克服了标准HGHG方案的激光功率限制与束流动力学效应影响，并在FLASH装置的仿真中于4 nm波长实现数吉瓦级脉冲输出。
2024-06-28 physics.acc-ph
Nonlinearly Shaped Pulses in Photoinjectors and Free-Electron Lasers
本文提出在光电注入器阴极采用色散控制非线性整形（DCNS）技术优化激光脉冲，以降低发射度并减少电子束尾部，在LCLS-II模拟中相比标准高斯脉冲使SASE时X射线功率提升35%。
2023-06-28 physics.acc-ph physics.optics
Fast modeling of regenerative amplifier free-electron lasers
本文提出一种半解析模型，用于在存在角度/位置误差和电子轨迹振荡时快速建模X射线RAFEL等现实场景，解决了全尺寸模拟耗时导致参数搜索不可行的问题。
2023-11-22 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.optics
Echo Enhanced Strong Focusing for Coherent Short-Wavelength Radiation
Tsinghua University（清华大学）
提出回声增强强聚焦方案，利用横向-纵向耦合和束流回声效应解决能量扩散瓶颈，实现高效高次谐波产生，为软X射线产生铺平道路。
2026-06-07 physics.acc-ph
Longitudinal impedance and wake from XFEL undulators. Impact on current-enhanced SASE schemes
在这篇文章中，我们推导出纵向阻抗和尾流函数的任意波荡器参数的波荡器设置，考虑到有限的横向尺寸的电子聚束。早期的研究考虑的是电子的线密度分布。我们专注于我们的注意力在长波长渐近线（与共振波长相比），在大距离的电子束从波荡器入口相比，超车长度，和大真空室的大小相比，典型的横向尺寸的字段。这些限制定义了一个参数区域的实际应用。我们计算了一个封闭的阻抗和尾流函数，可以在最一般的情况下进行数值计算。这样的表达式使我们能够推导出高斯横向和纵向束团形状的解析解。最后，我们研究了最近提出的电流增强SASE计划（ESASE）的可行性LCLS，以及在我们的近似范围内。本文提出的数值估计表明，阻抗引起的能量扩散是足以严重降低自由电子激光的性能。我们的结论与文献中的结果相反，文献中LCLS情况的尾流计算是在自由空间中给出的，就好像波荡器的存在可以忽略不计一样。
2007-06-15 physics.acc-ph physics.optics
Toward a single mode Free Electron Laser for coherent hard x-ray experiments
本文研究了世界上第一台硬X射线自由电子激光--直线加速器相干光源的纵向相干长度的涨落。我们分析，在一个镜头到镜头的基础上，从一维自由电子激光模拟产生的一系列功率谱。我们评估了X射线束的光谱轮廓中的固有噪声如何反映其纵向相干长度。我们表明，LCLS光束的光谱稳定性将允许相干X射线实验与合理的采集时间。我们还提出了一个方案，提供单模X射线辐射使用窄带单色器。
2010-06-03 cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph physics.ins-det
Realizing Quantum free-electron lasers: A critical analysis of experimental challenges and theoretical limits
研究了实现高增益量子自由电子激光（Quantum FEL）的实验要求。在电子束和波荡器的基本约束之外，我们讨论了优化的相互作用几何形状，包括衍射，空间电荷和自发发射的影响以及相干特性。基于所需的量子自由电子激光特性，以及目前的实验能力，我们提供了一个程序，用于确定相应的一组实验参数。即使在理想化的情况下，空间电荷和自发发射的组合约束也对在几个增益长度上维持量子状态施加了很大的限制。在这些结果的指导下，我们建议将重点转向种子量子自由电子激光，而不是继续瞄准自放大自发发射（SASE）。此外，我们指出，严格的量子理论的必要性，自发发射以及空间电荷，以确定可能的漏洞，在我们的论点。
2018-08-17 physics.acc-ph physics.plasm-ph quant-ph
Effect of Aberration of Light in X-ray Free Electron Lasers
本文讨论了微聚束电子束在校正磁铁偶极场作用下的物理过程，描述了产生相干波荡器辐射的运动学过程。粒子跟踪表明，电子束方向的变化后踢，而微聚束波前的取向保持不变。因此，电子运动和波前法线具有不同的方向。一旦反冲角变得大于输出辐射的发散度，预期下游波荡器中的相干辐射发射将被显著抑制。事实上，根据常规治疗，相干辐射沿着微聚束波前的法线发射。在这里，我们表明，运动学预测一个令人惊讶的效果。也就是说，相干波荡器辐射在实验室框架中的描述产生了激进的概念，即，由于光像差，强相干辐射沿踢的方向产生。我们最近在LCLS进行的自由电子激光研究作为一个直接的实验证据，相干波荡器辐射可以踢的角度约为5倍的均方根辐射发散没有抑制。对实验进行了运动学描述。
2022-02-16 physics.acc-ph
High repetition rate and coherent Free-Electron Laser in the tender X-rays based on the Echo-Enabled Harmonic Generation of an Ultra-Violet Oscillator pulse
在线性响应状态下对物质进行精细的时间分辨分析-即光谱学和光子散射-需要fs尺度的脉冲、高重复率、完全相干的X射线源。由超导直线加速器驱动的种子自由电子激光（FEL）可以满足这一需求，它可以产生2-5 keV的$10^{8}$ - $10^{10}$相干光子，重复频率约为0.5 MHz。所提出的种子方案是回波使能谐波产生，由工作在13.6 nm的自由电子激光振荡器与基于钼硅镜的腔体提供支持。这里通过从开始到结束的模拟来描述X射线生成的整个链。通过与自放大自发辐射和新聚束谐波级联的比较，验证了该方案的有效性。
2021-05-17 physics.acc-ph physics.app-ph
A perfect X-ray beam splitter and its applications to time-domain interferometry and quantum optics exploiting free-electron lasers
X射线自由电子激光（FEL）能产生超亮的X射线脉冲，但不能产生时域干涉测量和量子态控制所需的相位相干脉冲序列。对于传统的分裂和延迟方案，以产生这样的序列的挑战源于极端的稳定性要求时，分裂埃波长光束，其中最微小的路径长度差异引入相位抖动。我们描述了一种自由电子激光模式的基础上选择性的电子束团退化和横向光束整形的加速器，结合自种子光子发射计划。在光子产生之前，我们在加速器中分裂电子束，而不是在自由电子激光产生光子脉冲之后分裂光子脉冲，以获得具有亚飞秒持续时间的锁相X射线脉冲。时域干涉测量成为可能，使伴随计划的经典和量子光学实验与X射线。该计划导致了新的科学利益的尖端自由电子激光与阿秒和/或高重复率的能力，从傅里叶变换红外光谱的X射线模拟无损伤测量。
2022-01-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.acc-ph
Ultrafast X-ray pulse measurement method
在本文中，我们描述了一种测量技术，能够解决飞秒X射线脉冲从XFEL设备。由于这些超短脉冲本身是最短的事件，我们的测量策略是让X射线脉冲本身采样。我们的方法依赖于应用程序的“新鲜”聚束技术，它允许种子X射线脉冲与种子和电子聚束之间的可变延迟的生产。记录每个脉冲的发射到发射平均能量。事实证明，人们实际上测量了X射线脉冲的自相关函数，该自相关函数以简单的方式与实际脉冲宽度相关。对于所提出的技术的实施，用短磁弯道代替单个波荡器段是足够的。波荡器的聚焦系统保持不变，并且安装不会干扰基线操作模式。我们提出了一个可行性研究，我们与典型的X射线自由电子激光参数的例子。
2010-01-20 physics.acc-ph
Tunable, phase-locked hard X-ray pulse sequences generated by a free-electron laser
本研究通过经开槽箔片与波纹尾场结构整形的电子束驱动新束团自种子FEL，首次实现可调谐锁相超快硬X射线脉冲，为硬X射线量子光学及任意波形发生器发展奠定基础。
2025-08-01 physics.acc-ph physics.optics
Scheme for generation of highly monochromatic X-rays from a baseline XFEL undulator
XFEL设施的一个目标是产生窄带X射线辐射。提出了自注入方案，以获得比常规X射线SASE自由电子激光器可实现的带宽更窄的带宽。自种子自由电子激光器由两个被单色器隔开的波荡器和一个电子束旁路组成，电子束旁路必须补偿单色器中X射线的路径延迟。这导致长的旁路，具有大约40 - 60 m的长度，这需要修改基线波荡器配置。作为一种尝试，以绕过这一障碍，连同欧洲XFEL的自播种计划的研究，在这里，我们提出了一种新的技术的基础上的脉冲倍压器的概念。在基线波荡器的一个短磁弯道内安装一个晶体单色器，可以将辐射带宽降低到10 ^（-5），远远超过XFEL的设计。磁减速弯的安装不会对XFEL的聚焦结构造成任何干扰，也不会干扰基本工作模式。我们提出了一个可行性研究，我们与欧洲XFEL的SASE 2线的参数进行了例证。
2010-03-10 physics.acc-ph physics.optics
Nanosecond Radio-Frequency Pulse Driven Photogun for Very Hard X-ray Free-electron Laser
SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC国家加速器实验室）
本文提出CUPID光枪，利用高功率纳秒射频脉冲产生高电场，实现高亮度电子束，通过模拟展示其与LCLS铜加速器自由电子激光结合可产生40keV以上的极硬X射线脉冲。
2026-04-30 physics.acc-ph
Partially Coherent X-Ray Oscilex Radiation from a FEL-Modulated Positron Bunch during Its Planar Channeling in a Crystalline Undulator
A.I. Alikhanyan National Science Laboratory (Yerevan Physics Institute)（A.I.阿里哈尼扬国家科学实验室（埃里温物理研究所））
研究正电子束在晶体行波中通道化时产生的部分相干振荡辐射，揭示其频率特性及高增益机制。
2025-12-10 hep-ex hep-ph physics.acc-ph
Flexible multi-bunch-length operation for continuous-wave x-ray free-electron lasers
本文提出在束团压缩器中采用偶极子-冲击器组合，实现连续波XFEL设施中逐束团灵活调节电子束团长度，并通过上海高重频XFEL参数的端到端模拟验证了其在不同波荡器线路上同时支持自放大自发辐射与外种子型FEL运行的可行性。
2024-04-30 physics.acc-ph
Mutually phase-stable tunable attosecond soft X-ray attosecond pulses from a free-electron laser
SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC国家加速器实验室）；Stanford PULSE Institute, SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福PULSE研究所，SLAC国家加速器实验室）；Department of Applied Physics, Stanford University（斯坦福大学应用物理系）；J.R. Macdonald Laboratory, Kansas State University（堪萨斯州立大学J.R.麦克唐纳实验室）
该研究在LCLS-II的级联X射线自由电子激光中，通过复用微聚束实现了相互相位稳定的可调阿秒软X射线脉冲对，可用于分子动力学及量子系统相干控制研究。
2026-09-07 physics.acc-ph physics.optics
