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
Active Q-switched X-Ray Regenerative Amplifier Free-Electron Laser
本文提出主动调Q X射线再生放大器自由电子激光方案，通过电子束相空间操控灵活控制腔品质因数Q，实现高重频、完全相干、高亮度硬X射线输出，并完成了理论与数值验证。
2023-07-20 physics.acc-ph
An X-Ray Regenerative Amplifier Free-Electron Laser Using Diamond Pinhole MIrrors
自由电子激光器（FEL）的波长范围从使用部分波引导的长波长振荡器通过紫外线到硬X射线FEL，其或者是种子或者是从噪声（SASE）开始。由于缺乏种子激光器或X射线反射镜的设计困难，在X射线光谱中的操作依赖于单程SASE。然而，金刚石晶体布拉格反射器生产的最新发展指出了再生放大器（RAFEL）的设计方向，再生放大器（RAFEL）本质上是低Q X射线自由电子激光振荡器（XFELO），其在每次通过时输出耦合大部分光功率。一个RAFEL使用六镜谐振腔提供90%或更多的耦合通过针孔在第一个下游的镜子提出和分析使用MINERVA模拟代码的波荡器的相互作用和光学传播代码（OPC）的谐振腔。MINERVA/OPC曾被用来模拟红外自由电子激光振荡器。为了实现这一目的，对OPC进行了修改，以处理金刚石晶体反射镜的布拉格反射。在斯坦福直线加速器中心正在建造的LCLS-II光束线的背景下，并使用也将安装在LCLS-II光束线上的HXR波荡器，对六镜谐振腔设计进行了分析。模拟已经运行，以优化和表征的RAFEL的属性，并表明，大量的权力是可能的基本（3.05千电子伏）和三次谐波（9.15千电子伏）。
2019-05-15 physics.acc-ph
Nonlinear undulator tapering in conventional SASE regime at baseline electron beam parameters as a way to optimize the radiation characteristics of the European XFEL
我们证明，欧洲XFEL源在标称工作点的输出辐射特性可以很容易地作出显着优于目前报道的科学仪器和X射线光学的TDR。事实上，输出SASE特性的基线欧洲XFEL已预先优化假设均匀的波动器在一个标称工作点的5 kA的峰值电流，而不考虑潜在的波动器锥形SASE制度。为了说明这一点，我们分析的情况下，电子束团与标称参数。基于从开始到结束的模拟，我们表明，非线性波荡器锥形允许一个实现高达十倍的峰值功率和光子谱密度在传统的SASE制度，而无需修改的基线设计。自由电子激光程序Genesis已被广泛用于这些研究。为了增加我们的信心，在模拟结果中，我们交叉检查的结果再现在深非线性SASE制度与锥形波荡器使用代码ALICE。
2013-09-12 physics.acc-ph
Generate Uniform Transverse Distributed Electron Beam along a Beam Line
据报道，横向分布整形可以帮助进一步提高太瓦锥形X射线自由电子激光的能量提取效率。因此，需要在波荡器内产生和保持几乎均匀的横向分布（UTD）光束的方法。这项研究表明，一个UTD电子束可以产生内均匀分布的漂移部分，可以放置波荡器，通过八极和特定的光学。给出了具体的设计方案，并进行了数值仿真验证.
2015-04-27 physics.acc-ph
Tapering Enhanced Stimulated Superradiant Amplification
对于高峰值和高平均功率辐射源，电功率和光功率之间的高转换效率是非常期望的。在本文中，我们讨论了一种新的机制的基础上受激超辐射发射在一个强烈的锥形波荡器，从而最佳波荡器锥度计算动态匹配的共振能量变化的有质动力减速梯度。该方法有可能允许从相对论电子束中提取大部分（~50%）的功率，并将其转换为相干窄带可调谐辐射，并显示了一条通往非常高的平均功率辐射源的清晰路径。
2014-10-29 physics.acc-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
Phase synchronization recovery in energy-compressed LWFA electron beams for free-electron lasers via undulator tapering
National Central University（中央大学）；National Synchrotron Radiation Research Center（国家同步辐射研究中心）
本文研究了通过纵向 tapered undulator补偿能量啁啾引起的共振不匹配，提升SASE FEL的饱和功率和谱特性。
2026-05-12 physics.acc-ph
Harmonic Generation in a Terawatt X-Ray Free-Electron Laser
本文利用MINERWA模拟研究太瓦级XFEL中强聚焦高电流条件下的谐波产生，发现基波提功率所需的锥形波荡器不会增强更早饱和的谐波，但谐波仍具可观功率与应用价值。
2024-01-18 physics.acc-ph
Efficient frequency doubler for the soft X-ray SASE FEL at the TESLA Test Facility
本文描述了一种用于SASE自由电子激光的有效倍频方案。它由一个调谐到第一谐波的波荡器、一个色散部分和一个调谐到第二谐波的锥形波荡器组成。第一级是常规的软X射线SASE自由电子激光。它的增益被控制在这样一种方式，即在出口处的电子束的最大能量调制是约等于本地的能量扩展，但仍然远离饱和。当电子聚束通过色散部分时，这种能量调制导致粒子的有效压缩。然后，聚束电子束进入锥形波荡器，在相干减速过程中产生强辐射。我们表明，倍频方案可以集成到SASE自由电子激光在TESLA测试设施在DESY，并将允许达到3 nm波长的GW级的输出峰值功率。这将把自由电子激光的工作范围扩大到所谓的水窗，并大大扩大专题信托基金自由电子激光用户设施的能力。
2003-07-18 physics.acc-ph physics.optics
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
Extending the photon energy coverage of an x-ray self-seeding FEL via the reverse taper enhanced harmonic generation technique
本文提出了一种扩展软X射线自注入自由电子激光光子能量范围的简单方法。一个正常的单色器首先应用于净化自由电子激光光谱，并提供一个相干播种信号。然后，该相干信号与随后的反向锥形波荡器部分中的电子束相互作用，以生成强相干微聚束，同时保持电子束的良好质量。之后，将预聚束电子束发送到第三波荡器区段中，所述第三波荡器区段在种子的目标高谐波处谐振以放大较短波长处的相干辐射。三维模拟结果表明，该自注入方案可以完全覆盖光子能隙1.5 keV ~ 4.5 keV之间的能量范围，并可获得100 GW级的峰值功率.
2017-01-16 physics.acc-ph
Status Report on the Hydrodynamic Simulations of a Tapered Plasma Lens for Optical Matching at the ILC $e^+$ Source
针对ILC正电子源高度发散束流，本文提出并模拟了锥形等离子体透镜的光学匹配方案，初步流体动力学模拟验证了其可行性，为后续实验和设计优化奠定基础。
2023-09-01 physics.acc-ph
A new technique to generate 100 GW-level attosecond X-ray pulses from the X-ray SASE FELs
本文提出了一种利用钛宝石激光系统的几个周期光脉冲在X射线自由电子激光中产生100 GW 300-As单脉冲的方案。飞秒光脉冲在波长为800 nm的双周期波荡器中与电子束相互作用，在电子束团的一个切片内产生能量调制。在能量调制器之后，电子束进入基线间隙可调的X射线波荡器的第一部分，并产生具有100 MW级功率的SASE辐射。由于能量调制，频率与SASE辐射脉冲的几个周期驱动切片内的纵向位置相关。最大的频率偏移对应于在时域中的单尖峰脉冲，其被限制在中心峰值电子能量附近的一个半振荡周期。在第一波荡器之后，电子束被引导通过磁延迟，我们使用该磁延迟来将具有最大频率偏移的X射线尖峰定位在电子聚束的“新鲜”部分。在弯道之后，电子束和在第一波荡器中产生的辐射进入与偏移频率谐振的第二波荡器。在第二波荡器中，参考频率处的种子辐射不起作用，并且仅单个（持续时间为300）尖峰快速增长。波荡器的最后部分是锥形部分，允许在0.15 nm波长范围内实现100-150 GW的最大输出功率。阿秒X射线脉冲与飞秒光脉冲的自然同步，为亚飞秒泵浦探测实验提供了独特的前景。
2004-03-11 physics.acc-ph physics.optics
Polarization control of an X-ray free electron laser oscillator
高强度、全相干的X射线辐射在很宽的光谱范围内具有可调谐的偏振，这对许多实验都是非常重要的。本文提出了一种用于X射线自由电子激光振荡器（XFELO）的锥形交叉偏振波荡器结构，以产生硬X射线区任意偏振的X射线脉冲。利用上海高重复频率XFEL和极光装置（SHINE）的参数，给出了偏振度为99.9%、偏振开关率为20 KHz的偏振可控、全相干硬X射线脉冲的产生过程。该方案也有可能用于腔可调谐的XFELO。
2019-11-25 physics.acc-ph
Analogy between free electron laser and channeling by crystal planes
在有质动力势阱中的电子的捕获类似于通过晶体的原子平面的带电粒子的沟道，所述有质动力势阱在高增益下控制自由电子激光或反向自由电子激光。弯曲晶体类似于周期锥形自由电子激光。这种类比不同于沟道辐射和波荡器辐射之间的众所周知的类比。
2005-03-21 hep-ph physics.acc-ph
Synthesis of Electron Microbunching Rotation for Generating Isolated Attosecond Soft X-ray Free-electron Laser Pulses
本文提出利用两束具有相互延迟和倾斜波前的激光在电子束团内合成微聚束旋转，以增强电流对比度，并结合锥形波荡器抑制边峰，从而产生孤立百阿秒级GW级软X射线自由电子激光脉冲。
2024-09-05 physics.acc-ph
Demonstration of cascaded modulator-chicane micro-bunching of a relativistic electron beam
我们目前的实验结果表明，第一次成功的演示级联微聚束计划。采用两个串联的调制器-减速弯预聚束器和一个高功率中红外激光种子，将52 MeV电子束调制成一列与外部驱动激光器相位锁定的尖锐微聚束训练。这种结构允许将强锥形反自由电子激光（IFEL）波荡器中捕获的电子的分数增加到96%，其中高达78%的粒子加速到最终设计能量，与经典的单聚束器方案相比产生了显著的改进。这些结果代表了基于激光的纵向相空间操纵的一个关键进展，并在高梯度先进加速以及在高峰值和平均功率相干辐射源中找到应用。
2017-08-17 physics.acc-ph
The Generation of Variable Polarization States in Terawatt X-Ray Free-Electron Lasers
本文研究了太瓦X射线自由电子激光器在产生可变偏振高次谐波方面的潜力，利用MINERVA模拟代码发现，在基波1.5 Å的条件下，第五谐波在41 keV处可实现约180 MW的峰值功率，有望成为硬X射线至伽马射线谱段的重要相干源。
2024-08-27 physics.acc-ph
Cavity-based compact light source for extreme ultraviolet lithography
本文提出一种基于超导能量回收直线加速器的谐波激射再生放大器自由电子激光极紫外光源，通过降低电子束能量至传统方案的1/√n，以0.33 GeV和16毫米波荡器实现约2千瓦平均功率，显著缩小设施规模。
2025-01-24 physics.acc-ph
First operation of a harmonic lasing self-seeded free electron laser
谐波激光是X射线自由电子激光用户设备的一种透视操作模式，其允许为用户实验提供更高能量光子的明亮光束。谐波激光的另一个有用的应用是所谓的谐波激光自籽晶自由电子激光（HLSS FEL），其允许改善这些设施的光谱亮度。在过去，谐波激光已被证明在自由电子激光振荡器在红外和可见光波长范围内，但不是在高增益自由电子激光，而不是在短波长。在本文中，我们报告的谐波激射的第一个证据和第一次操作的HLSS自由电子激光在软X射线自由电子激光用户设备FLASH在波长范围内4.5 nm和15 nm之间。在指数增益区，光谱亮度比自放大自发发射（SASE）自由电子激光提高了6倍。与SASE自由电子激光相比，HLSS自由电子激光在具有锥形波荡器的后饱和状态下的性能更好。高增益自由电子激光和短波长谐波激光的首次演示为这种新的操作模式在X射线自由电子激光中的各种应用铺平了道路。
2016-12-14 physics.acc-ph
Generating 10 GW-class isolated zeptosecond x-ray bursts through bootstrapping two plasma-based accelerator stages
提出利用LWFA电子束驱动具有密度调制下降斜坡的PWFA级，产生极高密度和亮度的预聚束电子束，进而与光学波荡器对撞产生10 GW级孤立仄秒X射线脉冲，为核物理和量子电动力学提供探针。
2025-09-17 physics.acc-ph physics.plasm-ph
