平面波荡器自然梯度对X射线自由电子激光脉冲带宽的展宽

相对论电子束在波荡器中自发发射的量子效应

On quantum effects in spontaneous emission by a relativistic electron beam in an undulator

Robb和Bonifacio（2011）声称，先前被忽视的量子效应导致与长波荡体中的自发发射相关的能量分布演化发生显著变化。他们重新审视了用于描述相对论性电子辐射发射的理论模型，将其描述为一个连续的扩散过程，并声称在大量波荡器周期的渐近极限中，电子能量分布的演化是根据泊松分布的离散能量群。我们表明，这些新的结果没有物理意义，因为它们是基于一个一维模型的自发发射，并假设电子是片的电荷。然而，电子是点状粒子，并且众所周知，波荡器辐射的角积分光谱的带宽与波荡器周期的数量无关。如果我们用三维理论来确定能量分布的演化，我们会发现众所周知的结果与连续扩散过程一致。本文的另一教学目的是回顾如何在波荡器的电子能量的量子扩散小波荡器参数可以简单地分析使用汤姆逊截面表达式，不同于传统的治疗的基础上的表达的Lienard-Wiechert领域。

窄带软X射线自由电子激光的气体单色自注入方案

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。

Very high brightness and power LCLS-II hard X-ray pulses

We show the feasibility of generating X-ray pulses in the 4 to 8 keV fundamental photon energy range with 0.65 TW peak power, 15 fs pulse duration, $9\times10^{-5}$ bandwidth, using the LCLS-II copper linac and hard X-ray (HXR) undulator. Third harmonic pulses with 8-12 GW peak power and narrow bandwidth are also generated. High power and small bandwidth X-rays are obtained using two electron bunches separated by about 1 ns, one to generate a high power seed signal, the other to amplify it by tapering the magnetic field of the HXR undulator. The bunch delay is compensated by delaying the seed …

采用横向梯度波荡器提高laser -等离子体加速器驱动的自由电子激光的能量提取效率

Improving the energy-extraction efficiency of laser-plasma accelerator driven free-electron laser using transverse-gradient undulator with focusing optics and longitudinal tapering

据报道，[Z。Huang等人，物理修订信函109，204801（2012）]，高增益自由电子激光（FEL）可以由来自激光等离子体加速器（LPA）的横向色散电子束产生，使用横向梯度波荡器（TGU），假设理想的恒定色散函数而没有聚焦光学器件。恒定的色散函数使超出共振能量带宽的电子仍然与自由电子激光辐射共振。相反，在本文中，在LPA驱动的自由电子激光使用TGU的情况下，与聚焦光学数值研究，其中的色散函数应沿波荡器单调递减。尽管在这种情况下，离能电子并不总是满足自由电子激光共振，但通过巧妙地优化初始色散和聚焦参数，可以获得与理想的恒定色散函数情况下相似的辐射功率，同时获得良好的横向相干性。此外，更高的辐射功率，可以预期，如果纵向锥形，横向梯度变化在不同的部分，这是证明了激烈的全球多参数优化的基础上GENESIS模拟。

太赫兹自由电子激光中谐波增强：预压缩和波荡器几何对频谱和角发射的影响

Enhanced Harmonic Generation in Terahertz FELs: Influence of Pre-Bunching and Undulator Geometry on Spectral and Angular Emission

研究通过理论和数值分析探讨太赫兹辐射发射，分析波荡器结构和束流剖面影响频谱特性，发现预压缩配置在谐波生成中表现最佳，但对能量展宽和等离子体效应敏感。

带有平面波荡器的SASE FEL辐射的奇次谐波性质

Properties of the odd harmonics of the radiation from SASE FEL with a planar undulator

最近的理论和实验研究表明，采用平面波荡器的自放大自发发射自由电子激光器（SASE FEL）具有产生相对较强的基频三次谐波相干辐射的潜力。在这里，我们提出了详细的研究非线性谐波产生的SASE自由电子激光与时间相关的自由电子激光模拟程序。使用相似性技术，我们提出了普遍的依赖性的时间，光谱和统计特性的奇次谐波的辐射从SASE自由电子激光。特别地，我们导出了饱和时奇次谐波辐射功率的普遍公式。饱和相干时间与谐波数成反比，相对光谱带宽与谐波数成常数。

基于同步辐射光刻的极紫外（EUV）光源

Extreme Ultraviolet (EUV) Sources for Lithography based on Synchrotron Radiation

这里提出的研究是由一个讨论，以调查使用同步辐射作为下一代光刻（NGL）的EUV概念（极紫外线，这里分别为13.5 nm或11.3 nm的辐射源）的可能性。要求是：50 W，2%带宽和此带宽外的最小功率。研究了三种选择。前两个处理的辐射从弯曲磁铁和波动。结果证实了牛津仪器和其他人的早期工作，即这些光源缺乏带内功率，同时发出过量的带外辐射。第三种方法是由500 MeV的直线加速器驱动的自由电子激光器（自由电子激光），其辐射发射装置为超导微型波荡器。这种设备将产生超过50 W的带内EUV功率，而带外功率可忽略不计。

单能电子束宽频距双色自由电子激光

Two-Colour Free Electron Laser with Wide Frequency Separation using a Single Monoenergetic Electron Beam

本文介绍了单能电子束宽带双色自由电子激光放大器的研究。双色自由电子激光的相互作用是使用一系列的波荡器模块交替调谐到两个良好分离的谐振频率。使用宽带自由电子激光模拟程序Puffin，电子束在两个谐振频率下同时发生强烈的聚束。在谐振频率的和与差处也产生电子聚束分量。

以自由电子激光振荡器为种子源的高亮度全相干X射线放大器

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。

控制SASE X射线自由电子激光线宽的一种简单方法

A simple method for controlling the line width of SASE X-ray FELs

本文介绍了一种新的单束团自注入方案，用于从基线XFEL波荡器产生高度单色的X射线。以前的方案利用布拉格几何中的四晶体固定出口单色器。在这样的单色器中，X射线脉冲获得厘米长的路径延迟，这必须被补偿。对于单束团自播种方案，这需要长的电子束旁路，这意味着基线波荡器配置的修改。为了避免这个问题，最近提出了一种基于特殊的光注入器设置的双束团自播种方案。在方差，在这里，我们提出了一种新的时域单色化的方法，利用一个单晶的传输方向，从而避免了额外的路径延迟的X射线脉冲的问题。该方法可以使用时间窗口技术来实现，仅需要用于电子聚束的磁延迟。所提出的设置非常简单，仅由两个简单的元件组成。它们是水晶和短磁弯道，它自己完成三项任务。它为晶体安装创建偏移，它去除在第一波荡器中产生的电子微聚束，并且它充当用于时间窗口的延迟线。使用安装在基线波荡器中的短磁弯道内的单晶，可以将辐射的带宽降低到远超过XFEL设计的10 E-5。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。我们目前的可行性研究和欧洲XFEL的SASE 2线的范例。

Narrow bandwidth gamma comb from nonlinear Compton scattering using the polarization gating technique

Nonlinear Compton scattering is a promising source of bright gamma-rays. Using readily available intense laser pulses to scatter off the energetic electrons on the one hand allows to significantly increase the total photon yield, but on the other hand leads to a dramatic spectral broadening of fundamental emission line as well as its harmonics due to the laser pulse shape induced ponderomotive effects. In this paper we propose to avoid ponderomotive broadening in harmonics by using the polarization gating technique - a well-known method to construct a laser pulse with temporally varying polari…

再生放大自由电子激光产生的全相干X射线脉冲

Fully Coherent X-ray Pulses from a Regenerative Amplifier Free Electron Laser

提出并分析了一种新型再生放大自由电子激光（FEL）产生全相干X射线脉冲的方法。该方法利用窄带宽布拉格晶体形成围绕相对短的波荡器的X射线反馈回路。来自聚束训练中的领先电子聚束的自放大自发发射（SASE）被布拉格反射器光谱过滤，并被带回波荡器的开始，以与聚束训练中的后续聚束重复地相互作用。自由电子激光与这些短束团的相互作用不仅放大了辐射强度，而且还拓宽了其光谱，允许在晶体带宽之外有效地传输X射线。这些X射线脉冲的光谱亮度比单程SASE自由电子激光的光谱亮度高出两到三个数量级。

硬X射线自由电子激光与高能电子照相的加速器方案

An accelerator scenario for hard X-ray free electron laser joint with high energy electron radiography

为了研究材料的动态响应和流体动力学的物理机制，提出了一种可应用于硬X射线自由电子激光和高能电子照相的加速器方案。该加速器主要由12 GeV直线加速器、波荡器分支和eRad束线组成。为了同时利用XFEL和eRad对样品的动力学行为进行现场和实时的表征，直线加速器必须能够在相同的工作模式下对两种束流进行加速。结合真空和锥形技术，波荡器分支可以在42 keV的0.1%带宽内产生超过1 E11个光子/脉冲。最后，提出了1：10比例的eRad放大光束线作为扩大视场和密度识别能力的重要补充工具。

在APS-U上实现硬X射线储存环自由电子激光振荡器

Realizing A Hard X-Ray Storage Ring Free Electron Laser Oscillator at the APS-U

研究表明APS-U可支持硬X射线储存环自由电子激光振荡器，采用横向梯度波荡器等配置可达到高增益、高亮度，实现多keV光子能量的该振荡器具备可行性。

在欧洲X射线FEL上通过自注入产生变换限制的X射线脉冲

Production of transform-limited X-ray pulses through self-seeding at the European X-ray FEL

任何先进的X射线自由电子激光的一个重要目标是提供傅立叶限制的X射线脉冲的选项。这样，实验大厅里就不需要单色器了。自播种是一种很有前途的方法，显着缩小SASE带宽，以产生近变换限制的脉冲。这些对于包括3D衍射成像在内的许多实验都很重要。讨论了在欧洲XFEL硬X射线线上实现单晶自籽晶方案。对于这个设施，变换限制脉冲是特别有价值的，因为它们自然支持提取更多的自由电子激光功率比在饱和状态下，通过利用可调间隙基线波荡器的锥形。锥形化包括波荡器间隙从段到段的逐步改变。基于开始到结束的模拟处理最新的参数的欧洲XFEL，我们表明，自由电子激光功率达到约400吉瓦，或一个数量级的功率比SASE饱和水平（20吉瓦）。这一分析表明，我们的自播种计划是不显着的非理想的电子相空间分布的影响，并产生约相同的性能的情况下，具有理想参数的电子束。使用单晶单色器的自引晶方案非常紧凑（约5米长），成本估计也很低，足以考虑从运行阶段一开始就将其加入欧洲XFEL能力。

两级合相增强谐波产生全相干硬X射线

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。

X射线自由电子激光中少周期脉冲的产生

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。

高功率偏振可控的阿秒级软X射线脉冲

High-Power Polarization-Controlled Attosecond-Scale Soft X-ray Pulses

在SwissFEL自由电子激光器上，通过Apple-X波荡器产生高功率、偏振可控的阿秒软X射线脉冲，实现450-1070 eV能量范围、圆/线偏振及百微焦级脉冲能量，支持阿秒与飞秒脉冲切换及双色脉冲对生成。

脉冲啁啾对汤姆逊散射光光谱带宽的压缩

Spectral Bandwidth Reduction of Thomson Scattered Light by Pulse Chirping

基于非相干叠加汤姆逊散射框架下的单粒子跟踪，我们开发了一个完全相对论的三维数值程序，计算并量化了相对论电子束与聚焦的反向传播强激光场正面碰撞时的辐射特性.开发的代码已经根据解析表达式进行了基准测试，该解析表达式基于（1）中导出的激光场的平面波近似。对于足够长的持续时间的激光脉冲，我们发现，散射辐射光谱加宽，由于激光的脉冲性质所产生的干扰。研究表明，通过适当地啁啾散射激光脉冲，可以最小化光谱展宽。

高场汤姆逊源的窄带辐射

Narrowband Emission in Thomson Sources Operating in the High-Field Regime

我们提出了一个新的和相当普遍的高场啁啾激光脉冲和相对论性电子的相互作用的分析，其中精致的控制的光谱亮度的上移汤姆逊散射光子被证明是可能的。通常，当汤姆逊散射发生在高场强时，在散射辐射中存在有质动力谱线加宽。这种效应使得带宽对于某些应用来说太大，并降低了光谱亮度。我们表明，这种展宽可以通过适当的频率调制的入射激光脉冲进行校正和消除。此外，我们提出了一个实际实现的啁啾束驱动的自由电子激光振荡器配置方面的补偿的想法，并表明，可以发生显着的补偿，即使在这些条件下预期的不完美的匹配。

EEHG FEL种子激光器性能约束的解析研究

Analytical studies of constraints on the performance for EEHG FEL seed lasers

激光播种技术已经被设想在软X射线自由电子激光器上产生接近变换极限的脉冲。从电子束物理学的观点来看，回波谐波发生（EEHG）是一种很有前途的谐波产生技术，具有良好的上转换到非常高的谐波。本文探讨了种子激光器的性能达到1 nm的波长的限制。我们表明，在极端的谐波因子实施EEHG计划的主要挑战是种子激光脉冲的时间和空间质量的精确控制的要求。例如，如果激光脉冲的相位在转换为UV种子脉冲之前被啁啾，则电子束微聚束中的啁啾结果是粗略地乘以谐波因子。在Ti：Sa种子激光器的情况下，该因子约为800。对于这样大的谐波数，产生几乎变换限制的软X射线脉冲的结果在具有挑战性的约束Ti：Sa激光。事实上，种子激光脉冲的时间带宽积与理想的变换限制性能的相对差异不应超过百万分之一。所产生的电子束微聚束对种子激光波前的畸变也非常敏感，其也乘以谐波因子。为了具有FEL输入耦合因子的最小减小，期望UV种子激光束的尺寸-角度带宽积非常接近于理想的，即在调制器波荡器的中间处的腰平面中的衍射受限性能。

明亮的5 - 85 MeV康普顿gamma-ray脉冲来自GeV laser -等离子体加速器和等离子体镜

Bright 5 - 85 MeV Compton gamma-ray pulses from GeV laser-plasma accelerator and plasma mirror

我们在GeV激光等离子体电子加速器出口处插入一个$100 μ$ m厚的玻璃板$\sim3$ cm，将其转换为紧凑的飞秒脉冲$γ$射线源。这种玻璃等离子体镜具有近乎统一的可靠性，并且只需要粗略的对准，（光子能量$\hbarω_L = 1.17$ eV），$>50\%$效率返回到拖尾电子上（峰值洛伦兹因子$1000 < γ_e < 4400$），产生产生具有亚毫拉德发散的$\sim10^8 γ$射线光子的光学波荡器，估计的峰值亮度$\sim10^{21}$光子/s/mm $^2$ /mrad $^2$ / $0.1\%$带宽和可忽略的韧致辐射背景。$γ$射线的光子能量$E_γ= 4γ_e^2 \hbarω_L$，从每次发射测得的$γ_e$推断，峰值从5到85 MeV，跨越了一个范围，否则只能从大型GeV直线加速器的高强度$γ$射线源获得可比的亮度。

利用新鲜切片自由电子激光对阿秒X射线脉冲进行时空谱整形

Spectrotemporal shaping of attosecond x-ray pulses with a fresh-slice free-electron laser

本研究提出一种在自由电子激光上对阿秒X射线脉冲进行相干整形的方案，通过控制波荡器锥形分布实现脉冲维格纳函数整形，可产生可控脉冲对、序列及宽频孤立脉冲，并在现有XFEL上实验验证了相位稳定脉冲序列的生成与控制。

种子谐波产生自由电子激光中滑移效应对laser相位误差放大的影响

Slippage effect on laser phase error amplification in seeded harmonic generation free-electron lasers

采用外激光作为种子的自由电子激光（FEL）在软X射线领域具有很好的应用前景。然而，已经指出，初始种子激光器噪声将被放大的频率上转换过程，这可能会降低由谐波产生方案产生的输出辐射的质量。本文对考虑滑移效应的种子自由电子激光方案中激光相位误差放大问题进行了理论和模拟研究。研究发现，当滑移长度与激光脉冲长度相当时，调制器中的滑移效应可以显著地消除电子束所经历的种子激光缺陷。这种平滑效应允许在存在大的激光相位误差的情况下保持种子自由电子激光的优异的时间相干性。对于FWHM约为16 fs的超短UV种子激光器，具有约30个波荡器周期的调制器中的滑移长度通常与激光器宽度相当;对于FWHM约为80 fs的较长种子激光脉冲，可以使用在UV种子激光器的次谐波处调谐的调制器使滑移长度与激光器宽度相当。对采用大频率啁啾种子激光脉冲的软X射线装置进行了三维模拟，结果表明，通过适当设计调制器，使滑移长度与激光宽度相当，可以显著降低种子自由电子激光带宽对初始频率啁啾的敏感性。我们的研究表明，在种子自由电子激光器中产生近变换限制的软X射线脉冲的激光相位误差的容忍度比以前认为的要宽松得多，并且可以达到纳米波长的完全相干辐射。

软X射线自由电子激光的双束团种子注入

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。

无光吸收时相对论电子的多次散射对后向参量X射线辐射线宽的影响

Influence of the multiple scattering of relativistic electrons on the line width of the backward Parametric X-ray Radiation in the absence of photo absorption

讨论了低能相对论电子穿过单晶产生的后向参量X射线辐射在极端布喇格几何中的多重散射效应对线宽的影响。结果表明，在一定条件下，光吸收对谱线宽度的影响可以忽略不计，只有相对论电子在晶体中的多次散射过程才导致谱线的展宽。基于所获得的线宽展宽的理论和数值计算结果，由$30$和$50$ MeV的相对论电子在不同厚度的Si晶体中的多次散射引起的，可以进行实验，以帮助揭示在没有光吸收的情况下的PXR线的散射效应。这导致更准确地理解散射现象对后向PXR的线宽的影响，并且有助于更好地构造用于科学和工业应用的桌面窄带宽X射线源。

从极端啁啾电子束产生宽带硬X射线阿秒脉冲

Broadband hard X-ray attosecond pulses from extremely chirped electron beams

利用自由电子激光产生亚飞秒电流尖峰，通过极端啁啾电子束生成带宽超30 eV的硬X射线阿秒脉冲，提升阿秒泵浦-探测实验能力。

高重复率自籽晶X射线自由电子激光中sub-meV非弹性X射线散射的新机会

Novel opportunities for sub-meV inelastic X-ray scattering at high-repetition rate self-seeded X-ray free-electron lasers

非弹性X射线散射（IXS）是研究凝聚态平衡动力学的重要工具。最近提出的一种用于超高分辨率IXS的新谱仪（UHRIX）已分别实现了0.6 meV和0.25 nm $^{-1}$的光谱和动量传递分辨率。然而，需要进一步改进到0.1~meV和0.02~nm $^{-1}$，以缩小高频和低频探针之间的能量-动量空间的差距。我们表明，这一目标可以通过进一步优化X射线光学和通过增加入射X射线脉冲的光谱通量来实现。UHRIX在5至10 keV的能量下表现最佳，其中在欧洲XFEL的SASE-2光束线处的自播种和波荡器渐缩的组合承诺与饱和时的标称SASE脉冲相比，平均光谱通量增加高达100倍，或者比基于存储环的辐射源可能增加三个数量级。波动光学传播表明，在$90$ - $μ$ eV带宽中，样品上可以实现约$7\times 10^{12}$ ~ph/s。这将为IXS的动力学研究提供独特的新可能性。

欧洲XFEL软X射线自注入光栅单色器

Grating monochromator for soft X-ray self-seeding the European XFEL

自播种是一种很有前途的方法，显着缩小SASE带宽的XFEL产生近变换限制的脉冲。这种方法在软X射线波长范围内的实施必然涉及光栅作为色散元件。我们研究了一个非常紧凑的自播种计划与光栅单色器最初设计的SLAC，它可以直接安装在SASE 3型波荡器光束线在欧洲XFEL。单色器的设计是基于一个环形VLS光栅工作在一个固定的入射角安装没有入口狭缝。它的光谱范围从300 eV到1000 eV。光学系统的研究使用波动光学方法（与光线追迹比较），以评估性能的自播种计划。我们的波动光学分析考虑到实际光束波前的辐射从相干自由电子激光源，三阶像差，并从每个光学元件的错误。波动光学是设计无出射狭缝的自注入单色器的唯一方法。我们表明，没有出口狭缝，自播种计划的区别是非常需要的实验简单，实际上可以提供相同的分辨率（约7000）与出口狭缝。波动光学也自然适用于计算自注入方案的效率，其中包括单色透过率和种子束与电子束之间的失配的影响。模拟结果表明，自由电子激光功率达到1TW，TW脉冲的谱密度比饱和SASE脉冲的谱密度高两个数量级。