自由电子激光装置中飞秒级同步关键技术的研究

新一代自由电子激光（FEL）装置是先进加速器和激光技术的结合，对多个系统，特别是精确同步方面的要求大大高于现有的第三代同步辐射光源。尤其是在基于级联技术的FEL装置中，为保证束流以及输出激光的品质，激光、高频、电子束流以及束测设备等相互之间的同步精度和稳定度均需要达到十飞秒量级。本项目依托上海深紫外自由电子激光平台，主要着眼于大尺度FEL装置中激光与微波、激光与激光之间的精确同步，将研究并掌握实现飞秒级同步的多项关键技术，研制出基于激光-微波鉴相器的激光-微波同步设备，基于光学互相关技术的激光-激光同步设备，以及高稳定度参考信号稳相传输设备，实现FEL装置中激光脉冲与微波相位，激光脉冲与激光脉冲之间的精确同步，同步精度与稳定度约10飞秒，达到国际先进水平。

新一代自由电子激光（FEL）装置是先进加速器和激光技术的结合，对多个系统的技术要求，特别是精确同步方面大大高于现有的第三代同步辐射光源。尤其是在级联模式运行的FEL装置中，为保证束流以及FEL输出的品质，激光、微波、电子束流以及束测设备等相互之间的同步精度和稳定度需要达到十飞秒量级。.本项目的主要研究内容是FEL装置中实现飞秒级同步的关键技术。FEL装置中需要实现飞秒级同步的子系统主要包括驱动激光器、种子激光器、微波低电平系统、定时系统等。最新的同步方案采用高稳定度的脉冲激光作为参考信号，涉及到的技术主要包括三个部分：微波与激光的高精度同步，激光的高精度锁相，以及参考信号的高稳定度传输。.项目组依托上海深紫外自由电子激光装置，充分利用已有设备，包括飞秒钛宝石激光器、飞秒光纤激光器、150MeV电子直线加速器以及FEL放大器等，研究FEL装置中微波与激光、激光与激光实现飞秒级同步的关键技术，在传统微波混频鉴相技术的基础上发展高灵敏度、低噪声的光学-微波相位检测技术，以及基于光学互相关的激光相位检测技术，从而实现各系统之间飞秒量级的同步精度及稳定度。经过项目的实施，已基本掌握大尺度FEL装置中实现飞秒级同步的多项关键技术，研制出完整的激光-微波同步设备，激光锁相设备，以及高稳定度参考信号稳相传输设备，实现了FEL装置中参考信号的稳定传输，以及微波相位与参考信号，激光脉冲与参考信号之间的精确同步，同步精度与稳定度达到十飞秒量级。.具体来讲，实现的指标如下：高稳定度参考信号传输过程中每日漂移小于40fs（rms）；在激光-微波同步方面，实现了绝对抖动小于40fs[10Hz,10MHz]，相对抖动小于20fs[10Hz,10MHz]的射频信号恢复；实现了绝对抖动小于90fs[10Hz,10MHz]，相对抖动小于45fs[10Hz,10kHz]的激光锁相。.本项目的研究涉及到激光、高频、电子学和光电子学等领域的先进技术，使微波与激光、激光与激光的同步精度及稳定度在现在的基础上提高了一个量级，对于大尺度高精度同步系统的发展具有很大的促进作用。在目前研究成果的基础上，正在进行原型样机的工艺优化，相关技术将实际应用于上海X射线自由电子激光试验装置和大连相干光源，保障装置的顺利出光与稳定运行。