上海软Ｘ射线自由电子激光装置的偏振控制

X射线自由电子激光（XFEL）是继同步辐射光源之后的新一代光源，具有超高亮度、超短脉冲以及更优异的相干性等优势，而偏振可控的XFEL更是对磁二色谱技术具有重要意义。由于软X射线在经过光学元件时能量损耗很大，国际上主要采用交叉平面波荡器（CPU）和椭圆极化波荡器（EPU）进行软X射线FEL的偏振控制。

      上海高等研究院邓海啸研究员课题组为上海软X射线自由电子激光用户装置（SXFEL-UF）设计了偏振控制结构，研究结果发表在《中国激光》2020年第47卷第5期上。

       如图1所示，SXFEL-UF包括一条辐射波长为2 nm的真空波荡器线和一条辐射波长为3 nm的常规波荡器线。在常规波荡器线平面型主波荡器下游额外加装了2节EPU波荡器，以afterburner的形式提供圆偏振态的3 nm辐射光。通过改变两种波荡器的运行状态，可以得到偏振度极高的圆偏光或线偏光，以及二者的组合。

图1 SXFEL-UF布局示意图

Genesis模拟结果显示，辐射X光的圆偏度高达99.6%，脉冲能量约为188 μJ，可满足大部分相关用户需求。进一步考虑束流能量抖动，在均方根能量抖动为0.1%时，辐射脉冲能量保持在120 μJ以上，且圆偏度始终高于99.5%，结果如图2所示。对比初始噪声对于EPU和平面波荡器辐射的影响，研究人员通过理论计算和模拟验证了reverse taper结构能够抑制辐射光能量抖动。

图2 辐射能量和偏振度随束流能量的变化

此外，研究人员利用多个快速校正磁铁来改变束流的运行轨迹，同时使两个EPU段运行在相反的圆偏振模式，进一步达到了偏振快速切换的效果。

图3 偏振切换原理示意图

如图3所示，当一个束团从平面波荡器末端出现时，它将受到二极磁场的偏转作用而远离波荡器的轴线，然后以斜入射的方式经过第一段EPU，其斜向辐射不会被接收；当束团回到轴线时，受到偏转的它将以正入射的方式沿轴线通过第二段EPU，得到所需的右旋圆偏光，束团最终被束流垃圾桶回收。

        与此相反，后一个束团在第一段EPU辐射左旋圆偏光，在进入第二段EPU前被偏转，滤去不需要的辐射，出EPU后被调整回轴向，并由束流垃圾桶回收。
     
        校正磁铁的磁场强度不可过强以至于破坏电子束团微结构进而影响辐射光的质量，也不能弱到无法分离不需要的圆偏光辐射。

        模拟结果显示两段EPU的辐射能量分别为39.7 μJ和27.6 μJ，圆偏度为98%和97%，满足设计需求，该方案也满足束流能量抖动的要求。该方案所需的快校正磁铁强度相当小，无论是成本还是制造难度都很低。利用快校正磁铁改变电子束在波荡器中轨迹的思路也可用于FEL在其他不同运行模式之间的切换（尤其是在低重复频率下极易实现）。

       原文链接：高张峰,邓海啸,刘波,王东. 上海软X射线自由电子激光装置的偏振控制[J]. 中国激光, 2020, 47(5): 0500015