专利摘要

本发明涉及激光器件和激光设备技术领域，具体涉及一种能够自动调节输出功率稳定性的自由电子激光器谐振腔。本发明通过光电探测模块实时采集自由电子激光器输出激光信息，控制模块结合输出激光信息并反馈控制腔长调节模块以及光学对准调节模块分别进行谐振腔腔长调节以及光学对准调节；由于同时针对腔长以及光学对准两个不同自由度的不稳定因素分别进行闭环控制调节，使得腔长的偏离以及光学对准的失调稳定在一定范围内，因此能够有效的减弱或消除不稳定因素，保证自由电子激光器输出功率的稳定性，进而增强自由电子激光器的实用性。

权利要求

1.一种自由电子激光器谐振腔，包括近共心设置的腔镜模块和输出耦合镜模块，从所述输出耦合镜模块输出激光光束；其特征在于，所述激光光束光路上设置有光电探测模块，所述光电探测模块连接控制模块，所述控制模块分别连接腔长调节模块以及光学对准调节模块，所述腔长调节模块以及光学对准调节模块分别与所述腔镜模块连接；

所述控制模块接收光电探测模块探测到的激光光束信息并反馈控制腔长调节模块以及光学对准调节模块分别进行谐振腔腔长调节以及光学对准调节。

2.根据权利要求1所述的自由电子激光器谐振腔，其特征在于，所述光电探测模块包括在所述激光光束光路上顺次设置的分光元件以及光电探测器。

3.根据权利要求2所述的自由电子激光器谐振腔，其特征在于，所述光电探测器响应速度小于自由电子激光器重复频率。

4.根据权利要求1所述的自由电子激光器谐振腔，其特征在于，所述控制模块包括顺次连接的信号源、乘法器、低通滤波器、比例积分微分器、信号增益器、加法器以及信号驱动器。

5.根据权利要求4所述的自由电子激光器谐振腔，其特征在于，所述信号源提供三路参考信号以及三路驱动信号；所述三路驱动信号的频率满足要求：三者都小于光电探测器的带宽；三者互质；任意两者的差值以及和值不等于第三者、第三者的整数倍以及第三者的分频数。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的自由电子激光器谐振腔，其特征在于，所述腔镜模块包括设置于固定镜架上的腔镜，所述腔长调节模块包括设置于所述腔镜背面的压电陶瓷驱动器。

7.根据权利要求6所述的自由电子激光器谐振腔，其特征在于，所述固定镜架上设置有调节腔镜水平以及竖直位置的二维调节旋钮，所述光学对准调节模块包括与所述二维调节旋钮连接的多个压电陶瓷驱动器。

8.根据权利要求6所述的自由电子激光器谐振腔，其特征在于，所述腔长调节模块还包括与所述控制模块连接的腔长粗调单元；所述腔长粗调单元包括与所述腔镜模块连接的腔长调节步进平移台。

9.根据权利要求7所述的自由电子激光器谐振腔，其特征在于，所述光学对准调节模块还包括与所述控制模块连接的光学对准粗调单元；所述光学对准粗调单元包括分别与所述腔镜模块连接的水平调节步进平移台以及竖直调节步进平移台。

10.根据权利要求1-5任意一项所述的自由电子激光器谐振腔，其特征在于，所述腔镜模块包括变形镜，所述变形镜由与所述控制模块连接的变形镜驱动单元驱动；所述光电探测模块还包括设置在所述激光光束光路上的波前探测器，所述控制模块接收波前探测器探测到的波前信息并控制变形镜驱动单元辅助调节腔长以及光学对准。

说明书

技术领域

本发明涉及激光器件和激光设备技术领域，具体涉及一种能够自动调节输出功率稳定性的自由电子激光器谐振腔。

背景技术

由于自由电子激光器（FEL，Free-electron Laser）的输出波长可以通过调节自由电子束团的能量来实现连续调谐，调谐的便利使得其可以选择不同的输出波长满足不同场合的应用需求，能够实现从太赫兹至硬X射线的电磁波覆盖。自由电子激光器在物理、化学、材料、信息、生命、资源环境等学科领域均有重大的应用价值，并促进了多学科交叉与前沿光源技术的发展。由于FEL的增益介质是在真空环境中以近光速运转的自由电子，光束质量不受常规高功率激光增益介质的热效应的影响，易于同时实现高平均功率、高光束质量的激光输出，在工业与国防领域同样具有不可替代的作用。但是由于FEL装置庞大，系统复杂，因此影响其输出功率稳定性的因素也较多，主要包括：电子束流强度的不稳定、电子束流品质的不稳定、谐振腔长度的变化以及谐振腔腔镜的不对准等等。这些不稳定性对于自由电子激光器的应用，尤其在平均功率较高时的应用影响极为显著，例如，现有技术中的FEL装置输出功率甚至可以在这些不稳定因素的影响下从十千瓦降至零功率输出；如图1中所示，在腔长改变数十微米的情况下，输出功率即由极大值很快降至零功率。

目前，在上述影响稳定性的各种因素中，自由电子束流强度与品质可以通过优化电子枪以及加速器得到优化；但消除或减弱外界环境引起的谐振腔长度的变化以及谐振腔腔镜不对准等不稳定性因素则基本依靠机械设计自身的可靠性来实现，例如，放在减震平台之上或者安装其他隔震装置或者优化设计参数，使得谐振腔的失谐灵敏度降低等等；但是在系统实际运行中，由于FEL谐振腔采用的近共心腔结构不对准灵敏度较高，因此，外界扰动造成的腔镜的不对准以及温度等因素引起的腔长漂移均会造成功率的波动；由于外界影响并不单一，腔长变化、腔镜不对准等因素之间存在相互耦合关系，每个因素的变化均可导致功率输出的不稳定，无法判断是由何种自由度所引起的功率波动，从而为稳定输出的闭环控制带来极大的困难。因此，即使采用主动控制，也仅限于利用步进平移台进行腔长以及腔镜中心位置的调节，而且这些均是在输出激光之前的预调节。

对于如何在系统运行过程中的主动调节控制自由电子激光器的谐振腔稳定性，目前仍然没有很好的解决方案；因此，一种能够在运行过程中自动调节输出功率稳定性的自由电子激光器谐振腔亟待提供。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种能够在运行过程中自动调节输出功率稳定性的自由电子激光器谐振腔，用于闭环控制自由电子激光器运行过程中的不稳定因素，保证激光的稳定输出，增强自由电子激光器的实用性。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种自由电子激光器谐振腔，包括近共心设置的腔镜模块和输出耦合镜模块，从所述输出耦合镜模块输出激光光束；所述激光光束光路上设置有光电探测模块，所述光电探测模块连接控制模块，所述控制模块分别连接腔长调节模块以及光学对准调节模块，所述腔长调节模块以及光学对准调节模块分别与所述腔镜模块连接；

所述控制模块接收光电探测模块探测到的激光光束信息并反馈控制腔长调节模块以及光学对准调节模块分别进行谐振腔腔长调节以及光学对准调节。

优选的，所述光电探测模块包括在所述激光光束光路上顺次设置的分光元件以及光电探测器。

优选的，所述光电探测器响应速度小于自由电子激光器重复频率。

优选的，所述控制模块包括顺次连接的信号源、乘法器、低通滤波器、比例积分微分器、信号增益器、加法器以及信号驱动器。

优选的，所述信号源提供三路参考信号以及三路驱动信号；所述三路驱动信号的频率满足要求：三者都小于光电探测器带宽；三者互质；任意两者的差值以及和值不等于第三者、第三者的整数倍以及第三者的分频数。

优选的，所述腔镜模块包括设置于固定镜架上的腔镜，所述腔长调节模块包括设置于所述腔镜背面的压电陶瓷驱动器。

优选的，所述固定镜架上设置有调节腔镜水平以及竖直位置的二维调节旋钮，所述光学对准调节模块包括与所述二维调节旋钮连接的多个压电陶瓷驱动器。

优选的，所述腔长调节模块还包括与所述控制模块连接的腔长粗调单元；所述腔长粗调单元包括与所述腔镜模块连接的腔长调节步进平移台。

优选的，所述光学对准调节模块还包括与所述控制模块连接的光学对准粗调单元；所述光学对准粗调单元包括分别与所述腔镜模块连接的水平调节步进平移台以及竖直调节步进平移台。

优选的，所述腔镜模块包括变形镜，所述变形镜由与所述控制模块连接的变形镜驱动单元驱动；所述光电探测模块包括设置在所述激光光束光路上的波前探测器，所述腔长调节模块以及光学对准调节模块都包括所述变形镜驱动单元；所述控制模块接收波前探测器探测到的波前信息并控制变形镜驱动单元辅助调节腔长以及光学对准。

（三）有益效果

本发明通过光电探测模块实时采集自由电子激光器输出激光信息，控制模块结合输出激光信息并反馈控制腔长调节模块以及光学对准调节模块分别进行谐振腔腔长调节以及光学对准调节；由于同时针对腔长以及光学对准两个不同自由度的不稳定因素分别进行闭环控制调节，使得腔长的偏离以及光学对准的失调稳定在一定范围内，因此能够有效的减弱或消除不稳定因素，保证自由电子激光器输出功率的稳定性，进而增强自由电子激光器的实用性。

附图说明

图1是自由电子激光器输出激光相对强度与腔长变化关系曲线示意图；

图2是本发明的一种自由电子激光器谐振腔模块示意图；

图3是本发明的一种自由电子激光器谐振腔结构示意图；

图4是图3中控制模块结构框图；

图5是本发明的另一种自由电子激光器谐振腔结构示意图；

图6是图5中控制模块结构框图。

图中，1：光电探测模块；2：控制模块；3：腔长调节模块；4：光学对准调节模块；5：腔镜模块；6：输出耦合镜模块；7：波荡器；8：自由电子束团；9：偏转磁铁；102：光电探测器；103：波前探测器；200：信号源；201：移相器；202：乘法器；203：低通滤波器；204：比例积分微分器；205：信号增益器；206：加法器；207：信号驱动器；208：波前控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种自由电子激光器谐振腔，主要包括近共心设置的腔镜模块和输出耦合镜模块，输出耦合镜模块输出的激光光束光路上设置有光电探测模块，光电探测模块连接控制模块，控制模块分别连接腔长调节模块以及光学对准调节模块，腔长调节模块以及光学对准调节模块分别与腔镜模块连接；控制模块接收光电探测模块探测到的激光光束信息并反馈控制腔长调节模块以及光学对准调节模块分别进行谐振腔腔长调节以及光学对准调节。

实施例一

如图2、图3以及图4中所示的一种自由电子激光器谐振腔，包括近共心设置的腔镜模块5和输出耦合镜模块6；腔镜模块5包括设置在固定镜架上的腔镜，腔镜基底可以可采用单个整体或变形镜结构；反光面可为金属镜(金属表面直接抛光)或介质薄膜镜（在光学玻璃的表面，通过真空镀膜镀一层介质薄膜，使入射光反射的光学元件）等，本实施中其为整块熔石英基底上镀制的介质膜高反射镜；固定镜架上设置有调节腔镜水平以及竖直位置的二维调节旋钮；输出耦合镜模块6包括输出耦合镜等，本实例中，输出耦合镜为采用HfO₂镀膜的部分输出耦合镜，其基质采用熔石英；自由电子束团8经由偏转磁铁9偏转后注入由高反射镜与输出耦合镜组成的光学谐振腔中；自由电子束团8通过波荡器7时，产生受激辐射，本实例中波荡器7为平面型波荡器；最后，从输出耦合镜输出激光光束；本实施例中，自由电子激光器各部分参数设定如下：腔长（高反射镜与输出耦合镜之间的距离）为8.000m，腔镜曲率半径为4.250m，腔镜的g因子为-0.88，腔镜光学对准灵敏度为84μrad，自由电子束团能量为98MeV，重复频率为75MHz，束团宽度为2ps，波荡器周期为5.3cm，周期数目为25，波荡器参数aw为1.12，腔长控制容限（功率由峰值降至90%峰值强度时对应的腔长变化范围）为7μm。

在上述输出耦合镜模块的输出激光光束光路上设置有光电探测模块1；本实施例中，光电探测模块1包括在激光光束光路上顺次设置的分光元件以及高速响应的光电探测器102；其中，分光元件可以为1.6μm的45度高反射镜，能够分出极小部分的激光光信号进入光电探测器102，同时保证进入光电探测器102的光信号在光电探测器102探测的动态范围内；光电探测器响应速度小于自由电子激光器重复频率，优选的，光电探测器响应速度不大于于自由电子激光器重复频率十分之一；其材质可以包括硅、锗、铟砷化镓、锑化铟、氮化镓铝、硫化亚铅、碲化铅、碲锡铅或者碲镉汞等中的一种或多种，其工作温度可以在室温或直至液氮温度范围内，这些都是为了得到更好的噪声控制；本实施例中的光电探测器材质为铟砷化镓，能够响应到1.6微米输出功率的变化，其3dB带宽频率为7.5MHz，输出耦合镜的输出耦合率为10%。

上述光电探测模块1与控制模块2连接，本实施例中控制模块2包括顺次连接的信号源200、乘法器202、低通滤波器203、比例积分微分器204、信号增益器205、加法器206以及信号驱动器207等；其中，信号源200提供三路不同调制频率参考信号以及三路驱动信号；三路参考信号分别作为轴向运动以及腔镜水平、竖直自由度调节的标准信号；三路驱动信号的频率满足要求：三者都小于光电探测器的带宽；三者互质；任意两者的差值以及和值不等于第三者、第三者的整数倍以及第三者的分频数；进一步的，为了得到更优的控制效果，三者最好都小于光电探测器带宽的十分之一；本实施例中的三路驱动信号频率分别为：10141Hz、13259Hz、16871Hz。或者，控制模块2包括顺次连接的信号源200、移相器201、乘法器202、低通滤波器203、比例积分微分器204、信号增益器205、加法器206以及信号驱动器207等；其中，信号源200提供三路不同调制频率的驱动信号，经移相器201处理后部分转化为三路参考信号；光电探测器102将探测到的光信号换转为电信号输入进乘法器202，乘法器202同时接收参考信号以及输入的电信号，将两路信号相乘，得到的信号输入至低通滤波器203，本实施例中低通滤波器203的积分时间常数为1ms，得到差频信号，然后依次输入至比例积分微分器(PID，Proportional Integral Derivative)204以及信号增益器205进行进一步的处理，得到误差控制信号；加法器206将三路驱动信号与三路处理后的误差控制信号叠加，叠加后的信号经信号驱动器207处理后得到三路反馈控制信号输出，分别用于控制腔长调节模块3以及光学对准调节模块4。

上述的控制模块2分别连接腔长调节模块3以及光学对准调节模块4，腔长调节模块3以及光学对准调节模块4分别与腔镜模块5连接；其中，腔长调节模块3包括设置于高反射镜背面的压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器接收信号驱动器207的轴向控制信号，通过自身的形变实现腔长的微调，其行程为60μm，闭环控制精度为1.2nm；光学对准调节模块4包括与二维调节旋钮连接的两个压电陶瓷驱动器，两个压电陶瓷驱动器分别接收信号驱动器207输出的水平、竖直控制信号，通过自身的形变控制二维调节旋钮进行腔镜的光学对准调节，其闭环控制精度为2.4微弧度，远小于85微弧度的对准容限，满足该系统对准要求。调节完成后使得谐振腔处于共振的状态，即激光脉冲在腔内往返一周的时间等于电子束团的时间间隔或其整数倍。

实施例二

本实施中的腔镜模块以及输出耦合镜模块结构与实施例一中相同；其中，自由电子激光器各部分参数设定如下：腔长（高反射镜与输出耦合镜之间的距离）为32.000m，腔镜曲率半径为16.800m，腔镜的g因子为-0.905，腔镜光学对准灵敏度为12.5μrad，自由电子束团能量为183MeV，重复频率为37.5MHz，束团宽度为3ps，波荡器周期为2.6cm，周期数目为80，波荡器参数aw为0.95，波荡器中心距输出耦合镜距离16.000m，腔长控制容限（功率由峰值降至90%峰值强度时对应的腔长变化范围）为11μm，输出耦合镜的输出耦合率为10%。

光电探测模块包括在激光光束光路上顺次设置的分光元件以及高速响应的光电探测器；其中，分光元件为193nm的45度高反射镜，光电探测器材质为铟砷化镓，能够响应到193纳米变化，其3dB带宽频率为3.75MHz。

控制模块与实施例一中相同。本实施例中的三路驱动信号频率分别为：10529Hz、13523Hz、16901Hz，低通滤波器203的积分时间常数为1ms。控制模块分别连接腔长调节模块以及光学对准调节模块，腔长调节模块以及光学对准调节模块分别与腔镜模块连接；腔长调节模块包括分别与控制模块连接的腔长粗调单元以及腔长微调单元；腔长粗调单元包括与腔镜模块连接的腔长调节步进平移台；步进平移台行程范围可达到数十毫米到数百毫米，腔长调节步进平移台接收信号驱动器输出的轴向控制信号，驱动腔镜沿轴向运动，实现腔长的粗调，控制精度达微米级；腔长微调单元包括设置于高反射镜背面的压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器接收信号驱动器的轴向控制信号，通过自身的形变实现腔长的微调，轴向运动控制行程为60μm，闭环控制精度为1.2nm。光学对准调节模块包括分别与控制模块连接的光学对准粗调单元以及光学对准微调单元；光学对准粗调单元包括分别与腔镜模块连接的水平调节步进平移台以及竖直调节步进平移台，水平调节步进平移台接收信号驱动器输出的水平控制信号，驱动腔镜沿水平方向的运动，竖直调节步进平移台接收信号驱动器输出的竖直控制信号，驱动腔镜沿竖直方向的运动，配合实现光学对准的粗调，控制精度达微米级；光学对准微调单元包括与二维调节旋钮连接的两个压电陶瓷驱动器，两个压电陶瓷驱动器分别接收信号驱动器输出的水平、竖直控制信号，通过自身的形变控制二维调节旋钮进行腔镜的光学对准微调，其控制精度为0.5微弧度，远小于12.5微弧度的对准容限，满足该系统对准要求。

实施例三

本实施中的腔镜模块5如图5以及图6中所示，包括一对腔镜，本实施例中的腔镜为变形镜，用于改善在高平均功率时的输出稳定性与光束质量；变形镜采用金属材质，用以同时实现更大的中心波长调谐范围与高的热导率，从而保证高平均功率运转时的稳定性；变形镜由与控制模块2连接的变形镜驱动单元驱动；输出耦合镜模块6与实施例一中基本相同；自由电子束团8经由偏转磁铁9偏转后注入由一对高反射镜组成的光学谐振腔中；自由电子束团8通过波荡器7时，产生受激辐射；最后，从输出耦合镜输出激光光束；其中，自由电子激光器各部分参数设定如下：腔长（两个变形镜之间的距离）为18.000m，腔镜曲率半径为9.500m，腔镜的g因子为-0.895，角度控制压电陶瓷闭环调节精度为2μrad，远小于腔镜90.8μrad的光学对准容限，满足系统光学对准要求。自由电子束团能量为38MeV，重复频率为225MHz，束团宽度为8ps，波荡器周期为2.8cm，周期数目为50，波荡器参数aw为0.98，腔长控制容限为（功率由峰值降至90%峰值强度时对应的腔长变化范围）25μm，轴向运动控制压电陶瓷行程为180μm，闭环控制精度为3.6nm；输出耦合镜距谐振腔束腰中心距离为8.1m，输出耦合率为10%。

本实施例中的三路驱动信号频率分别为：10181Hz、13633Hz、16883Hz，低通滤波器203的积分时间常数为1ms；光电探测模块1还包括设置在激光光束光路上的波前探测器103；其余部分与实施例一中相同。控制模块2还包括与波前探测器103连接的波前控制单元208，其余部分与实施例一中相同。腔长调节模块3以及光学对准调节模块4都还包括变形镜驱动单元，其余部分与实施例一中相同。波前控制单元208接收波前探测器103探测到的波前信息并控制变形镜驱动单元辅助调节腔长以及光学对准。

本发明针对FEL特别是高平均功率FEL谐振腔输出稳定性面临的难题，采用分别对腔镜对准以及沿轴向方向即腔长自由度以及两个对准自由度进行闭环控制的方式，利用其调制中心频率的不同，结合频谱分析，通过控制模块，可以分别得到不同自由度偏离理想位置时的反馈控制信号，实现了不同自由度对输出功率稳定性影响的解耦合，并通过腔镜轴向运动控制模块以及腔镜对准控制模块来分别实现对各个自由度进行相应的闭环控制，使腔镜的对准失调与腔长的偏离稳定在可容忍范围内，保证FEL谐振腔激光输出的稳定性，进而使其更加实用化。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

自由电子激光器谐振腔专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。