项目名称：新概念、高效率X射线自由电子激光（FEL）物理与.docx

项目名称：新概念、高效率X射线自由电子激光（FEL）物理与关键技术研究首席科学家：赵振堂 中国科学院上海应用物理研究所起止年限：2011.1至2015.8依托部门：中国科学院二、预期目标对全相干、高效率的X射线FEL的各种新概念和技术途径进行深入的探索研究，跟上国际FEL领域发展的最前沿，力争取得具有原创性的成果，形成有特色的、先进的X射线FEL方案，为发展超快、高亮度、高效率、完全相干的第四代光源作出贡献；从理论与实验两个方面掌握全相干、高效率FEL的相关关键技术，如ERL、外种子谐波型FEL（级联HGHG、EEHG等）、超低发射度的高亮度注入器等，为我国未来建造先进的X射线FEL奠定技术和人才基础。五年中，本项目将达到以下预期目标：(1) 提出和研究XFEL的新概念和关键物理问题，完成级联HGHG、EEHG、XFELO及ERL技术应用于X射线FEL的理论及可行性研究，在此基础上给出实现全相干、高效率、高性价比、先进的X射线FEL的优化方案；(2) 在深紫外自由电子激光装置上实现两级级联HGHG的原理验证实验，并开展相关的实验研究，全面掌握级联HGHG自由电子激光的辐射特性；(3) 在深紫外自由电子激光装置上实现基于EHGHG以及EEHG的自由电子激光运行模式的验证实验，并开展深入的实验研究；(4) 在对光阴极材料、光阴极注入器结构进行系统研究的基础上，研制能够满足XFEL低发射度要求, 发射度小于1um,具有创新结构的光阴极注入器；（5）研制出满足ERL高平均流强要求的射频超导腔，Q值不小于2x1010，对强流下高阶模的影响进行分析并找到吸收HOM功率的有效途径，设计并研制出适用于ERL的超导加速单元；（6）集成ERL实验装置，开展各种相关实验研究，全面掌握ERL技术，为基于ERL的XFEL打下良好的基础；（7） 通过实现上述目标，培养出5-6名FEL及ERL领域的青年学术带头人，培养20名以上博士研究生。三、研究方案本项目的研究内容包括了理论探索研究、综合实验研究和关键部件研制等三个方面，理论探索研究主要以模拟计算为基础，全面分析各种FEL新机制的可行性并提出最优方案；综合实验研究的开展则需根据实验目标建设完善实验装置，制定详细的实验计划；关键部件研制则首先提出方案设想，然后在理论分析、模拟计算基础上完成设计方案，之后研制成样机并开展试验研究，根据实验结果再对原设计进行完善。1理论探索研究全相干、高效率的X射线FEL是国际上FEL研究的重要研究方向和热点。本项目将从理论上对全相干、高效率的X射线FEL的各种新概念和技术途径进行深入的探索研究；在已有的理论及实验研究基础上，建立完整的理论分析模型和适用于外种子谐波型FEL及FELO的、高效的数值模拟程序包。本项目的最大特色是理论与实验相结合。通过本项目的外种子谐波型FEL（级联HGHG、EEHG）实验和ERL-FEL振荡器实验，验证理论模型和数值模拟程序的可靠性，并对其进行完善。在此基础上，进一步探索提高X射线FEL品质、降低X射线FEL装置规模的有效途径；利用理论模型和数值模拟程序，对X射线FEL新概念和新技术途径中的关键物理问题进行分析。基于建成的实验装置，设计相应的实验方案，对理论分析和数值模拟结果进行验证，更好地完善理论模型和数值模拟程序，从而为FEL（特别是外种子谐波型FEL及FELO）的研究提供通用、可靠的工具，为未来建造硬X射线FEL装置提供完善的理论支持与保障。获得全相干、高效率的X射线FEL是目前整个FEL研究领域瞄准的一个重要目标。虽然目前提出了一系列新概念和新途径，如级联HGHG、EEHG、XFELO以及基于ERL技术的XFEL等，但要实施还需开展大量深入细致的基础性研究工作。而且随着加速器技术、波荡器技术等的突破，必将会为建造全相干、高效率的X射线FEL提供新的契机。因此开展新概念、高效率XFEL的基础研究，是一项开创性的工作。2综合实验研究1）超高次谐波自由电子激光的关键技术与原理验证实验在上海深紫外自由电子激光（SDUV-FEL） 原有设计基础上做必要修改，主要包括增加一级激光注入、一级调制段波荡器以及一级色散段，改进后的两级调制段与色散段布局如图7所示（主要参数见表 5），就可以进行诸多基于双调制段的超高次谐波自由电子激光工作模式的关键技术研究与原理性验证实验研究。图7 SDUV-FEL EEHG实验布局示意图表5 SDUV-FEL EEHG验证实验参数表种子激光参数波长ls=1047nm， 功率P= 030MW, 脉冲长度ts=8ps电子束参数能量160MeV，发射度6.0 mm×mrad，能散0.01%调制段波荡器参数参数第一级第二级周期长度lu (cm）6.55周期Nu1010色散段参数R56070mm010mm辐射段波荡器参数 周期lu (cm） 2.5周期数360（6段，每段1.5m）K1.45FEL参数饱和功率P (MW)100MW注：种子激光2参数与种子激光1的参数一致图 8（a） 给出了 SDUV-FEL 在 EEHG 工作模式下，辐射段波荡器中的功率增长情况，由于EEHG 很强的密度调制和较小的能散引入，262 nm辐射在5m处就达到饱和，饱和功率为100MW，饱和时的频谱分布如图8（b）所示，输出的辐射达到纵向全相干，为Fourier Transform Limited光脉冲。图8 SDUV-FEL EEHG原理验证实验功率增长（a）与饱和处光谱（b）可以看到，在上海深紫外自由电子激光装置上，经过这些简单的硬件改进就能开展基于双调制段波荡器的超高次谐波自由电子激光的关键技术与实验研究，目前已经具备了这方面的实验能力。据我们所知，目前SLAC正在积极部署基于EEHG的超高次谐波自由电子激光的原理验证实验，但是，SLAC的方案中辐射段波荡器很短，不能达到饱和输出，而上海深紫外自由电子激光装置拥有9m长高性能辐射段波荡器的突出优势，因而基于上海深紫外自由电子激光装置的方案将有望成为世界首个超高次谐波自由电子激光的实验，并能达到饱和输出，这将对我国高增益全相干自由电子激光的发展产生深远影响。尽管EEHG运行模式具有很高的谐波转换效率，但是受限于传统激光的波长，很难通过一级EEHG得到全相干硬X射线自由电子输出，因此我们结合级联HGHG的新鲜束技术（Fresh bunch）以及EEHG原理，提出了级联EEHG（EESHG）的运行模式，可以产生超高次的谐波辐射，其原理如图9所示。图 9 EESHG原理示意图EESHG由两级EEHG构成，中间辅以移相器，其中第一级为EEHG模式，第二级类似于传统的HGHG，但本质上与第一级构成EEHG模式。zzzppp(b)(c)(a)图10 EESHG纵向相空间演化EESHG中纵向相空间的演化如图10所示，其中第一级的第一个调制段和色散段将整个束流转变为具有多个能带精细结构分布（图10（a）所示），第一级的第二个调制段和色散段只对电子束的尾部进行能量调制（图10（b）和密度调制（图10（c），而后产生密度调制的尾部电子束进入第一级的辐射段将产生相干辐射，为了减小对已调制好的束流头部的影响，此辐射段的长度选取将只使辐射段运行在相干辐射阶段，这里产生的相干辐射将作为第二级能量调制的种子激光对束流头部产生调制，之后经过第二级的色散段对束流头部进行密度调制，将产生第一级辐射段辐射波长的高次谐波，因而相对于第一级种子激光的波长，谐波转换效率将大大提高。 如果这个方案能够得到实验上的验证，将为未来全相干硬X射线自由电子激光提供一条全新的技术途径。2）级联高增益自由电子激光的关键技术与原理性实验研究SDUV FEL是一台开展HGHG研究的专用试验装置。它由一台160MeV高性能电子直线加速器、单级262nm HGHG（包括调制段、色散段和辐射段）以及紫外FEL诊断系统组成。在SDUV FEL的262nm HGHG基础上，新设计研制小间隙短周期的第二级HGHG辐射波荡器产生131nm FEL，并设计100fs级种子激光系统（含高精度同步定时）和束团延迟线实现束团刷新，从而可建成国际上第一个两级级联HGHG试验装置，率先开展级联HGHG出光实验研究。基于SDUV FEL的两级级联HGHG方案原理示意如图11，主要参数见表6。直线加速器786nm种子激光第一级HGHG第二级HGHG262nm131nm电子枪直线加速器电子枪图11 SDUV-FEL的整体方案原理示意图（方框内为增加的第二级HGHG部分）理论和数值计算表明，在25MW种子激光的作用下，160MeV电子束在第一级HGHG中，经过两段1.5m长的辐射段波荡器，产生90MW左右的262nm辐射，作为第二级的种子激光，而在第二级HGHG中，经过3段2m长的辐射段波荡器，被刷新的电子束团产生40MW左右的131nm辐射。表6. 基于SDUV-FEL的两级级联HGHG装置的主要参数种子激光波长ls=786 nm， 功率P= 050MW, 脉冲长度ts=30100 fs电子束参数能量160MeV，峰值电流300A，发射度6.0 mm×mrad，能散0.01%波荡器参数参数第一级第二级周期lu (cm）52.52.51.8间隙g (mm)123410107.8色散段参数dy/dg 0.50.75FEL参数波长l (nm) 786262262131增益长度Lg(m)0.600.630.630.86饱和功率P (MW) 100 40X射线SASE FEL已经在实验上获得成功，而基于种子激光的级联X射线FEL是目前国际上的研究重点和发展方向。因此，在我国高增益短波长FEL现有基础上，从关键技术、系统集成和整机集成多层面上掌握两级级联HGHG的多项重大核心技术，建设两级级联HGHG，更具有意义、也更加具有紧迫性。基于SDUV FEL的两级级联HGHG装置建成之后，将在国际上率先评估硬X射线FEL中采用级联FEL工作模式以实现全相干XFEL的可行性，为国际上未来X射线FEL技术路线的选择提供科学依据，将为FEL领域做出重要贡献，使我国在该领域占有一席之地。基于SDUV FEL的两级级联HGHG在技术上是可行的。第二级HGHG所需波荡器和束流测量等设备的设计制造已经十分成熟，风险性小。对于定时与同步系统，最近国际上的进展很快，多个研究组此类系统的技术指标已超过我们实验的要求，完全可以满足本实验的需要。3）ERL关键技术与原理性实验研究要真正掌握ERL技术，必须开展全面系统的实验研究。为此我们将首先集成一个ERL 实验装置，该装置包括注入器、并束段（Merger）、主加速器、返航束线、波荡器、光腔镜和垃圾靶等。 图12为ERL实验装置示意图，表 7 为主要参数。我们选择注入器能量为5MeV,电子束能量为35 MeV, 既能保证开展在主要研究内容中所述各种ERL实验，又使整个装置的规模不致太大。 实验方案的设计则从研究能量回收机制入手，即在没有自由电子激光的条件下，如何实现高效率的能量回收。之后研究ERL FEL的各种物理与关键技术，同时也可根据实验结果也可对ERL装置进行完善并束段（Merger）的性能和改进途径。我们对ERL技术已有较长时间的关注和研究，参考国际上的经验和我们的需求确定了北大ERL系统的主要并进行了束流光学初步设计设计。初期样机的注入器将采用现有的DC-SC光阴极注入器，超导加速器运行所需的2K低温系统已经建成，ERL实验室也已建成，因此研究方案是完全可行的。这将是我国第一个ERL实验装置并在我国首次实现 ERL 技术。 图12 PKU-ERL实验装置表7 PKU-ERL主要参数Inject Energy5 MeVMaximum Energy30 MeVBunch Frequency26 MHzBunch Charge60 pCBunch length at Entrance of Undulator1 psMacro Pulse Length2 msRep. Frequency of Macro Pulse10 HzEnergy Spread (rms)0.24%Transverse Emittance3mLength of Undulator1.5 mu of Undulator3 cmK of Undulator0.5-1.4Optical Cavity Length11.52 mWavelength of FEL4.7-8.3m3关键部件研制1）低发射度、高平均流强超导型光阴极注入器低发射度、高平均流强超导型光阴极注入器是基于ERL的X射线FEL的关键部件。我们将从模拟计算、激光器改造、光阴极材料和实验研究等几方面开展研究。通过理论分析与模拟计算的方法，从束流动力学匹配、微波性能、机械性能、射频超导性能、结构热分析等方面考虑，完成低发射度、高平均流强超导注入器核心结构（电子枪结构和变速超导腔）的物理设计和结构设计。对商用激光器的改造主要为设计光路对激光脉冲进行整形并控制光斑，以获得有利于降低发射度的束团横向分布、纵向分布和光斑大小；同时还要研制放大器以获得高电荷量电子束团所需要的激光脉冲能量。 我们还将对金属掺杂、半导体掺杂等阴极材料的性能进行研究，制备可以获得低发射度、高流强电子束的光阴极。根据注入器能量特点将建立一套完备的满足在线需要、工作稳定可靠的束流品质测量方法，对注入器的主要束流参数：流强、能散、发射度、束团电荷、脉宽、束斑等进行测量。北京大学已有的2K低温系统和1.3GHz微波功率源，可以为注入器的实验提供条件，在光阴极注入器方面积累了比较丰富的经验。通过研究完全有可能设计出具有创新结构的超导型光阴极注入器，并最终获得强流、低发射度的高品质电子束流。2) 低发射度、高峰值流强常温光阴极微波电子枪低发射度、高峰值流强常温光阴极注入器是高增益紧凑高效自由电子激光装置的核心设备。我们将在已经研制成功1.6单元BNL型光阴极微波电子枪的基础上，参考LCLS光阴极电子枪的设计和运行经验，通过功率对称馈送和跑道式腔型降低二极模和四极模的影响；增大电子枪不同结构单元的耦合孔，提高模式间隔，降低非工作模式0模对发射度的贡献，改善表面场分布；改变波导与电子枪的耦合，抑制热效应的影响。同时进一步改进和探索在BNL型电子枪研制中已初步掌握的水基清洗和金铜焊料焊接的工艺，探索和掌握高梯度加速结构的加工和测试工艺。通过这些结构改进和工艺探索，研制完成低发射度、高峰值流强光阴极微波电子枪。微波与驱动激光脉冲的精确同步分为两部分解决：首先通过高次谐波混频鉴相实现激光脉冲与参考微波源的相位同步，采用快速光电二极管对光信号进行采样，经过滤波得到激光的某个高次谐波，再将该信号与参考微波源进行鉴相，得到相差电平，根据相差电平通过反馈回路控制激光光腔的压控振荡器，实现锁相；然后研制高精度的数字低电平控制系统，保证微波源与电子枪中微波场的幅值和相位抖动，最终实现驱动激光与微波场相位的同步。光阴极电子枪的驱动激光采用钛宝石激光系统，驱动激光的纵向整型将考虑两类方法：利用钛宝石激光系统的宽频谱特性，采用频域整型技术，如声光可编程色散滤波器(Acousto-Optic Programmable Dispersive Filter)方法；或者利用钛宝石激光系统的短脉冲特性，采用时域脉冲堆积方法。驱动激光的横向空间整型，计划采用依赖于位置的衰减或者采用由低损的非球面镜对组成的折射光路来实现。清华大学在研制1.6单元BNL型的光阴极微波电子枪过程中，搭建了电子枪束流实验平台，基本具备了开展低发射度、高峰值流强常温光阴极注入器的功率源、激光、束测、真空、冷却等硬件条件，同时已经开展了激光整形、同步控制等研究，初步验证了上述技术路线的可行性，积累了丰富的经验。因此，采用上述技术路线，经过本项目的研究，为高增益高效自由电子激光装置提供低发射度、高峰值流强的高品质电子束是可行性的。3）高平均流强超导加速单元强流超导加速器是ERL的另一关键部件，它需要综合考虑液氦消耗、强流电子束产生的高阶模场的有效吸收等因素，以实现最佳性价比。我们将通过理论分析与计算，确定用于ERL的强流超导加速器的最佳运行温度范围、最佳运行加速梯度范围和合适的每只腔单元数，并确定超导加速器总体运行参数。另一个研究重点是高Q超导腔设计研制和设计、研制大功率高阶模耦合器及吸收体，达到有效吸收高阶模的目的。强流超导加速单元的研究重点则是超流氦两相管道优化、频率调谐装置（快调谐和慢调谐）、热辐射屏的设计分析、磁屏蔽的设计考虑等。与非强流超导腔相比，强流超导腔对磁屏蔽的要求更高，cryomodule设计需要考虑适用于室温和2K温度的两种磁屏蔽。通过优化设计超流氦两相管道、热辐射屏及选取合适的屏材料，保证强流超导腔的低温运行，并降低恒温器的静态热损，减小液氦系统的负担。北京大学曾设计和研制了具有杠杆结构的TESLA型超导腔低温在线调谐器，本项目将在此基础上，优化设计用于强流超导腔的低温在线调谐结构，达到10Hz调谐精度和±200kHz调谐范围的要求，并对其进行低温测试。北京大学已自行设计和研制了多种不同结构的超导腔，并研制成TESLA型9-cell腔超导加速单元，而且与美国ANL在强流超导腔方面也开展了初步的合作研究，这些均为用于ERL的强流超导腔的研究提供了基础和条件，设计和研制具有高品质因数的强流超导腔的方案是可行的。通过理论分析、模拟计算、工艺加工与部件性能测试与调整，我们将完成用于ERL的强流超导加速器的研制，为国际上ERL技术发展作出贡献。4) 飞秒级精确同步系统为保证新概念自由电子激光原理性实验（包括EEHG和级联HGHG）的进行，我们将研制成一套紧凑而完整的、同时面向多种不同系统的（激光，高频，束测，束流等）、可长期稳定运行的高性能飞秒级定时和同步系统，从主定时到激光、微波、束测等分系统的点到点信号稳定度达到10飞秒的先进水平， 并在已经建成的上海深紫外自由电子激光装置上投入使用，同时精确控制激光、微波、束测等系统，产生高度同步的电子-激光束流，做出自由电子激光和束流物理方面国际一流的，有开创性的实验研究。系统由光学主振荡器，光纤发布系统（链接激光系统，高频系统，束测系统等）以及各接口系统组成，实现极高水平的精确同步和控制。为满足飞秒级定时与同步的需求，需要一台高性能的光学主振荡器并与参考微波晶振进行锁相。为便于实现信号的传输与分布，选择波长1550nm的掺铒光纤激光器作为光学主振荡器。使用基于平衡互相关方法的稳相光纤分布系统，将主振荡器产生的光脉冲序列传输到各个需要的设备。同样采用基于平衡互相关的方法检测传输信号与反射信号的相位差，通过慢反馈控制光学延时器件的延时以补偿系统慢漂，同时通过较快的反馈控制压电陶瓷控制光纤的长度，实现长期<10fs的稳定度。最后使用基于光学微波相位检测器的光脉冲高频转换器，实现参考信号的本地恢复。5) 小周期波荡器X射线自由电子激光一般需要长度为几十米至上百米的小周期波荡器，并对场强和精度有很高的要求。近年来，这方面的新技术不断涌现，有望大大缩短X射线自由电子激光的规模。真空内波荡器是目前被广泛采用的自由电子激光辐射段的先进磁铁技术，其波荡器周期长度可以短至1到2厘米之间，磁场强度也可以满足大部分的需要。低温波荡器是另一种很有前途的技术，由于自旋取向相变（Spin Reorientation Transition ）效应，永久磁铁在一定低温下的磁场特性会明显有异于常温的时候，利用这一性质，可以设计制造在普通低温环境（如100-150K）中工作的超小周期真空内强场波荡器。我们计划研制通用型的真空内波荡器，周期长度为1.5-2.0cm，最高工作场强在1特斯拉左右。同时积极开展低温波荡器的设计探讨。小周期波荡器的研制成功不仅是本项目实验计划成功的有力保障，也有希望明显缩短未来X射线自由电子激光装置的长度，还可以使中小型自由电子激光装置更加紧凑，从而应用于更广泛的领域。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年理论： EEHG和级联HGHG的理论研究； 技术： 超导光阴极注入器和常温电子枪的模拟计算与结构设计； 进行超导加速器运行温度、加速梯度、每只腔的单元（cell）数进行综合比较研究； 实验： 基于SDUV 的EEHG和 Cascade High Gain Harmonic Generation-方案设计；完成ERL注入器出束并达到引出电子束能量为3-5MeV, 束流发射度约为3mm×mrad、电子束平均流强为毫安量级；完成初步EEHG和级联HGHG模拟计算，磁聚焦结构设计，第一级调制段硬件系统的设计制造；完成调制段的激光-电子束流相互作用实验；第二年理论： 继续Cascade High Gain Harmonic Generation的理论研究；开始基于ERL的XFELO原理研究技术：进行超导电子枪激光功率放大技术关键部件的研制。进行强流超导腔试验腔的初步研制。实验：SDUVEEHG和级联HGHG-硬件安装和实验；完成ERL主加速器的研制和与注入器的束流联调；完成束流环路的安装并进行初步调试。完成SDUV第一级辐射段硬件系统的设计制造；完成第一级辐射段出光实验；进行第二级调制段激光-束流相互作用实验，实现所有调制段的能量和密度调制；第三年理论： Cascade HGHG的噪声理论研究；ERL的物理研究技术：加工制造常温光阴极电子枪；开展激光整形技术实验研究；研制激光与微波的亚皮秒同步控制系统。实验：SDUV进行EEHG和级联HGHG-实验；完成超导注入器和常温电子枪整机制造；激光与微波的亚皮秒同步控制系统调试完成；实现对于皮秒束流的两段同时激光-电子束流相互作用（同步的调制）实验第四年理论： 超高次EEHG的理论研究；ERL加速器的物理研究技术：加工制造常温光阴极电子枪；开展激光整形技术实验研究；研制激光与微波的亚皮秒同步控制系统。进行波荡器和光腔端镜等的性能测试。实验：SDUV进行EEHG的高次谐波探索实验以及Cascade High Gain Harmonic Generation级联原理性实验实现强流超导加速单元载束运行；性能指标基本达到要求。 完成ERL 环路调试，实现电子束的能量回收，完成相关实验研究内容。实现高次谐波（大于6次）Echo-enabled Harmonic Generation的物理实验初步完成786nm到393nm再到196nm的SDUV Cascade High Gain Harmonic Generation级联原理性实验第五年理论：全面总结基于ERL的全相干X射线自由电子激光的物理。技术：开展超导注入器与常温电子枪的调试和实验研究，发现问题并进行改进。进行强流超导加速单元组装及静态和载束调试； 实验：继续开展超导注入器与常温电子腔的和实验研究，将波荡器和光腔镜安装到ERL束流环路中，开展FEL实验；研究FEL出光对电子束能散度和发射度的影响及其对能量回收的影响；通过实验检验束流返航段的设计，探索进一步改进的途径。SDUV Cascade High Gain Harmonic Generation级联原理性实验； 根据实验改进安装FEL光学测量装置超导注入器性能达到要求，可引出发射度不大于1mm mmrad，平均流强mA量级的电子束；常温电子枪可引出发射度不大于1mm mrad，峰值流强在百安培量级的电子束 全面掌握ERL技术，为基于ERL技术的高效率XFEL奠定技术基础 掌握超高次EEHG机理，给出高次谐波的极限以及应用到X射线自由电子激光的可行性。技术上完全实现两级的Cascade HGHG原理性实验， 给出级联噪声演变初步结果。 最后，针对ERL技术应用于X射线FEL提出具体方案，对全相干的X-FEL提出具有新概念的方案，为我国下一步建造高性能的X 射线FEL给出最佳物理方案的评价和建议。一、研究内容建造硬X射线FEL将会极大促进我国物理、化学、材料和生命科学等学科的研究。目前国际上已建成或在建的硬X射线FEL装置均为SASE工作模式,我国未来兴建的应该是具有新概念、高效率的FEL装置，这样才能进一步提高FEL装置的性能、降低成本和规模，产生更多的原创性研究成果。围绕这些需求和目标，本项目拟主要解决以下五个主要关键科学问题并开展相关研究：1. 通过外种子谐波产生全相干X射线FEL的可行性如前所述，单级HGHG已被实验验证，但产生X射线需要级联HGHG、EEHG 和EHGHG等新机制。到目前为止，这些新机制尚未得到实验验证，在理论上也需要进一步完善。为此，需要从理论和实验两个方面开展研究，主要研究内容为：1） 超高次谐波FEL相关理论研究基于EEHG的超高次谐波自由电子激光的工作模式虽然在形式上是在传统HGHG的基础上添加多一级的能量调制以及聚束段而成，但其工作机制与传统HGHG有本质上的区别，而且通过Echo机制引入的束流精细结构给模拟计算的研究带来了新的挑战，因而通过深入的理论研究与模拟计算研究，将扩展EEHG自由电子激光的潜力并为原理性实验研究提供重要的理论依据。EEHG自由电子激光工作模式强烈依赖于对Echo机制引入的精细结构的保持和有效控制上，因而电子束参数（例如能量稳定性、纵向分布等）、种子激光各项参数（例如功率水平、功率稳定性、束斑尺寸等）、色散段非相干同步辐射与相干同步辐射、色散段非完美性等对EEHG自由电子激光性能的影响研究将对实验研究的成功具有重要的指导意义。此外，如何利用EEHG的机制与传统激光的最新进展将自由电子激光波长扩展到硬X射线，例如利用级联EEHG(EESHG)，一级HHG作为种子的EEHG，也将是重要的研究课题，而且这个研究将可能为全相干硬X射线自由电子激光提供新的技术路线。级联HGHG的主要问题是信噪比，E.L. Saldin博士等人指出，随着谐波次数的不断增加，噪声信号也越来越强。这一论断目前国际上仍然存在较大的争议，LBNL的W. Fawley博士、SLAC的黄志戎博士、BESSY的A. Meseck博士也开展了相关的理论与模拟计算研究，但仍有继续深入研究的必要。因此我们将通过理论分析和完善的数值模拟手段，深入研究级联HGHG的噪声演化、纵向相干性演化和辐射涨落等相关问题，以期为级联HGHG的实验提供坚实的理论依据。2） 级联HGHG原理性验证实验研究上海深紫外自由电子激光（SDUV FEL）是单级HGHG实验装置，在SDUV FEL基础上，通过资源整合和第二级HGHG波荡器系统的研制，我们便可以成功集成两级级联HGHG实验平台，开展两级级联HGHG原理性验证实验，以期掌握级联HGHG工作模式的相关关键技术，为级联型FEL的发展提供重要的依据。为实现这一实验，需要开展飞秒同步、束团刷新等关键技术研究。两级级联HGHG就是利用前级HGHG的输出作为后级HGHGH的种子激光，为了使两级HGHG有效运行，前后两级中辐射发生在电子束团的不同区域，这就需要将电子束团运动轨迹进行相对磁延迟，也就是所谓的束团刷新技术。通常地，两级级联HGHG对束团刷新技术的要求在百fs量级。另一方面，两级级联HGHG中，种子激光的脉冲长度（约100fs）要小于电子束团脉冲长度（约ps）。种子激光与电子束团在第一级HGHG调制段有效作用在合适的电子束团位置，将是两级级联HGHG成功的基本前提，这对定时与同步系统提出了100fs精度的要求，因而100fs级高精度的激光-激光、激光-电子束的定时同步系统的研制开发与系统集成将是实验成功的关键。另外，两级级联HGHG对波荡器提出了更高的要求，即必须保证前后两级的波荡器遵从严格的共振关系，因此，高精度波荡器的研制将是两级级联HGHG需要攻克的另一个关键技术。我们还将开展级联FEL辐射特性实验研究。理想框架范围内的研究表明，级联HGHG可以获得全相干硬x射线波段的激光输出，但当我们考虑电子束团噪声、种子激光功率和时间抖动等实际情况时，级联HGHG装置输出辐射的纵向相干性和shot-to-shot涨落随着谐波转换次数的增加而逐级变差。级联HGHG辐射性能是国际上一个备受关注的话题，存在较大的学术争议，尚未形成定论。因此，希望通过理论分析、数值模拟和原理验证实验进一步掌握级联HGHG装置性质。建成后的两级级联HGHG装置将会提供很好的平台，通过实验研究，来检验级联HGHG的辐射特性。3）EEHG 原理性验证实验研究在上海深紫外自由电子激光做少量硬件适当改造的基础上，我们可以开展高次谐波自由电子激光的实验研究，以期掌握高次谐波自由电子激光工作模式的相关关键技术，并开展原理性验证实验，为高增益全相干自由电子激光的发展提供重要的依据。为实现上述实验，需要开展如下关键技术研究：基于EEHG的超高次自由电子激光工作模式是通过两束激光对电子束进行能量调制下得到，因而对定时与同步系统提出了更高的要求，因而开展飞秒级高精度的激光-激光、激光-电子束的定时与同步系统的研制开发与系统集成将是实验成功的关键。另一方面，对Echo机制产生的超高次谐波的纵向分布的直接或间接测量以验证EEHG自由电子激光的工作机制也是实验成功的另一个关键因素。2. 发展光学振荡器型全相干X射线FEL理论及关键技术最近提出的XFELO概念受到国际上的广泛关注，因此需要对其理论和关键技术开展深入研究，使这一新途径得到不断完善。为此主要将开展如下研究：开展XFELO的理论研究，探索提高XFELO装置中FEL增益的有效途径；深入研究FELO在FEL过程中纵向相干性及相干长度的演化，建立相应的物理模型；利用国外已有的紫外-深紫外FEL振荡器，进行相干长度演变机制的实验研究，验证并完善理论模型，在此基础上探讨其它改善FEL纵向相干性的新途径；探讨可用于硬X射线FELO的光腔结构及其所需的反射晶体、聚焦结构等，寻求一种低损耗、可实现较大范围内波长调节、稳定性好的X射线光腔。3. 基于ERL技术实现高效率XFEL的可行性由于ERL具有束流平均功率高，能有效利用微波功率的优点，基于ERL的FEL将具有能量转换效率高和脉冲重复频率高等特点，是实现高效率FEL的有效途径之一。由于高能ERL关键技术问题尚未完全解决，因此将主要从理论方面开展基于ERL的X射线FEL的研究：研究FEL对电子束品质及能量回收的影响，研究能量回收对FEL出光的影响；探讨基于ERL的XFELO等高品质的X射线FEL的实现途径等；研究FEL过程对电子束品质以及能量回收的影响与限制，研究能量回收对FEL出光的影响及限制；优化基于ERL的超导加速器的运行参数，提出并优化基于ERL的X射线FEL方案，优化能量回收返航束线的设计。还要探索如何分时、高效地使用基于能量回收技术的超导加速器所提供的高重复频率的、高品质电子束团；探讨X射线FEL特别是XFELO、相干同步辐射等对电子束品质及束团时间结构的要求。4. 掌握并发展ERL技术如前所述，国际上已成功实现了ERL技术，而我国只开展一些理论模拟研究，尚未开展这方面的实验。为真正掌握ERL技术，更好开展基于ERL技术的FEL研究，需要在已有基础上集成一个ERL实验装置并开展实验研究。为发展ERL技术，突破当前国际上高平均流强ERL的瓶颈，则要开展低发射度、高重复频率超导光阴极注入器和高平均流强超导直线加速器方面的研究。1）ERL实验装置建造及实验研究主要研究内容包括束流动力学模拟研究、实验装置物理设计、主要部件研制、实验装置整体集成和实验研究等。在模拟研究与设计方面，主要研究能量回收机制、束流传输过程中的纵向相空间调控和束流不稳定性等，探索抑制这些效应的有效途径。不稳定性包括尾场不稳定性、多圈束流崩溃相应（BBU）等，相干同步辐射（CSR）、空间电荷效应造成的束流发射度增长以及束线中离子俘获效应对束流的影响等。在理论模拟研究基础上给出合理的ERL实验装置整体物理设计方案。实验装置主要部件研制主要包括研制一台可加速电子到25-30MeV的超导加速单元和可以产生红外自由电子激光的波荡器和腔镜系统，波长约为8-20um, 波荡器长度约为1米，光腔镜距离为9米。在研制上述主要部件的基础上，完成束流传输元件和束流测量与诊断、低电平控制系统和束线的计算机控制系统等，完成ERL实验装置的整体集成。 在ERL实验装置上开展的实验研究有：研究能量回收机制，在没有自由电子激光的条件下，如何实现高效率的能量回收；研究并束段（Merger）的性能和改进途径，研究ERL束流传输过程中束流发射度变化；实现腔镜式红外自由电子激光出光，优化相关参数，掌握关键技术；研究电子束产生自由电子激光后能散和发射度增长对能量回收的影响，通过实验检验出光后返航段设计的合理性，探索进一步改进的途径。2） 低发射度、高重复频率超导光阴极注入器研制低发射度、高重复频率超导光阴极注入器具有很大的挑战性，强流超导腔、高平均流强激光驱动光阴极以及两者之间的兼容性都是超导型光阴极注入器的重大挑战。发展这类注入器，需要开展电子枪结构、射频超导腔、驱动激光技术、光阴极材料制备等方面的研究。高电荷量、几个ps的电子束团在低能区存在严重的空间电荷效应，直接影响束流的发射度。电子枪需要提供足够高的阴极表面场（20MV/m）以遏制电子束团空间电荷效应引起的发射度的增长。本课题将研究一种具有高阴极表面电场和高引出电压的新型电子枪结构，以获得低发射度、高重复频率、可以CW运行的高品质电子束流。采用能量回收技术虽然能减轻主加速器超导腔主耦合器的负担，但却提高了注入器中超导腔对大功率主耦合器以及高阶模耦合器等部件的要求。研制适用于注入器的特殊结构的变速射频超导腔是超导型光阴极注入器的又一难点。作为电子枪与为1的加速结构的过渡，变速射频超导腔需要保证束流匹配、光阴极与超导腔兼容、无电子倍增现象（multipacting）、足够的机械强度、超导腔内表面的洁净度（避免场致发射）、高阶模的抑制、大功率微波馈入等。实验和模拟均表明，空间、时间上都具有均匀分布的激光脉冲对降低发射度非常有利，这对于激光的性能（激光脉冲的束斑、横向纵向分布、能量及相位抖动）提出了极高的要求。一般商品激光器不能满足此要求，需要研制专用的激光系统。要获得发射度不大于1mm mrad、平均流强达到mA量级的电子束流，需要对激光脉冲进行整形并控制激光光斑的大小，同时需研制放大器以保证激光脉冲的能量达到高电荷量要求。光阴极应具有较高的量子效率、较长的工作寿命、很好的稳定性和快速响应时间等。本项目研究金属、半导体以及掺杂型光阴极材料的性能，选取量子效率高、寿命长、本征发射度小的光