低增益与高增益自由电子激光
项目名称：新概念高效率X射线自由电子激光(FEL)物理与
项目名称：新概念高效率X射线自由电子激光（FEL）物理与新概念、高效率X射线自在电子激光〔FEL〕物理与关键技术研讨首席迷信家：赵振堂中国迷信院上海运用物理研讨所起止年限：2020.1至2021.8依托部门：中国迷信院二、预期目的对全相关、高效率的X射线FEL的各种新概念和技术途径停止深化的探求研讨，跟上国际FEL范围开展的最前沿，力争取得具有原创性的效果，构成有特征的、先进的X射线FEL方案，为开展超快、高亮度、高效率、完全相关的第四代光源作出贡献；从实际与实验两个方面掌握全相关、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，本项目将到达以下预期目的：(1) 提出和研讨XFEL的新概念和关键物理效果，完成级联HGHG、EEHG、XFELO及ERL技术运用于X射线FEL的实际及可行性研讨，在此基础上给出完成全相关、高效率、高性价比、先进的X射线FEL的优化方案；(2) 在深紫外自在电子激光装置上完成两级级联HGHG的原理验证明验，并展开相关的实验研讨，片面掌握级联HGHG自在电子激光的辐射特性；(3) 在深紫外自在电子激光装置上完成基于EHGHG以及EEHG的自在电子激光运转形式的验证明验，并展开深化的实验研讨；(4) 在对光阴极资料、光阴极注入器结构停止系统研讨的基础上，研制可以满足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停止剖析并找到吸收HOM功率的有效途径，设计并研制出适用于ERL的超导减速单元；〔6〕集成ERL实验装置，展开各种相关实验研讨，片面掌握ERL技术，为基于ERL的XFEL打下良好的基础；〔7〕经过完成上述目的，培育出5-6名FEL及ERL范围的青年学术带头人，培育20名以上博士研讨生。
光电倍增管特性及应用
光电倍增管特性及应用光电倍增管（photomultiplier tube，简称PMT）是一种具有高增益和低噪声的光电探测器，广泛应用于光电传感、光谱分析、医学影像等领域。
在本文中，我将详细介绍光电倍增管的特性和应用。
光电倍增管的结构由光阴极、光学系统、电子倍增系统和采样系统组成。
当入射光通过光学系统到达光阴极时，光子会激发光阴极上的电子发射，被光阴极吸收的光子数与发射电子数成正比。
这些发射的电子经过电子倍增系统，通过二次发射和隔离电子逐级倍增，从而形成一个电荷增益的级联过程。
最后，采样系统将输出信号转化为电压脉冲形式。
光电倍增管具有以下特点：1. 高增益：光电倍增管的增益通常在10^6到10^8之间，即每一个入射光子可以产生大量的电子被乘以倍增因子。
2. 宽动态范围：光电倍增管的输出信号可以覆盖从甚微的光到极强的光，可以处理不同亮度范围的信号。
3. 快速响应：光电倍增管的时间响应通常在几纳秒到几十纳秒之间，可以满足对快速变化的光信号的需求。
4. 低噪声：光电倍增管的噪声来自于光电子发射过程和电子倍增过程中的随机性，但其噪声水平较低，可以提供较高的信噪比。
5. 可靠性：光电倍增管具有长寿命、高可靠性和较好的线性输出特性，适用于长时间连续工作。
光电倍增管在许多领域都有广泛应用：1. 光电传感：光电倍增管可以将光信号转换为电信号，用于检测和测量光的强度、波长和时间特性。
例如，在光谱仪、光度计和测光仪中，光电倍增管可以实现对光谱的高灵敏度和高分辨率的测量。
2. 时间测量：光电倍增管的快速响应特性使其在时间测量中得到广泛应用。
例如，在飞行时间质谱仪中，光电倍增管可以测量荷电粒子的到达时间，从而确定其质量和能量，广泛应用于物理、化学和生物学等领域。
3. 放射性测量：光电倍增管可用于检测和测量放射性粒子的能量和强度。
例如，在核物理实验中，光电倍增管可以用于测量射线的能量和位置，从而提供有关粒子的重要信息。
4. 医学影像：光电倍增管广泛应用于医学影像，如正电子发射断层成像（PET）和单光子发射断层成像（SPECT），用于检测和诊断疾病。
高增益短波长自由电子激光的数值研究
高增益短波长自由电子激光的数值研究高增益自由电子激光被实验证明为目前唯一可以把自由电子激光推向紫外直至X射线的工作方式，在飞秒化学、生物分子结构、纳米科学、原子分子物理学等广泛的研究领域有巨大的应用前景，成为了当前世界上FEL领域的一个发展热点，已经形成了多个总体性方案。
但是高增益FEL装置结构庞大，技术难度极高，投资规模往往达到数亿美金。
因此在装置建造以前，必须进行详细的理论分析和模拟计算。
不同模式的高增益FEL都有特定的优点和缺点，然而没有一种具有压倒性的优势，提出并分析不同的高增益模式，以产生具有相干性好、功率稳定、辐射亮度高等优异品质的X射线自由电子激光，成为当今FEL领域中一个研究前沿。
本论文的主要内容是高增益短波长自由电子激光的数值模拟与分析研究。
主要工作包含有不同X射线自由电子激光模式的计算与分析、自由电子激光基本理论和数值模拟方法的分析、一维FEL数值计算程序的编写、HGHG半解析计算与参数优化方法的讨论、级联HGHG的参数优化和计算方法的讨论、国家同步辐射实验室X射线FEL计划方案物理参数的初步设计几方面的工作。
另外，基于THz光源的应用前景，本论文最后一章分析了储存环插入元件的长波长辐射性能。
本论文追踪国际FEL前沿，并结合本实验室的一些原创性理论，取得了下列进展：编写了一维时间依赖FEL计算程序TDH1D，该程序的主要目的是为了对不同模式的X射线FEL进行快速依赖于时间的计算，分析它们的纵向相干性、辐射带宽、信噪比等前沿热点问题。
另外，因为TDA3D、Genesis等公开的FEL模拟软件不易于分析FEL高次谐波性能，TDH1D可以对高次谐波多方面的性能进行比较细致的计算。
TDH1D从基本的FEL一维理论出发，采用“宏粒子”计算方法，引入慢变包络近似(SVEA)和一个波荡器周期平均近似等。
TDH1D进行了一些三维效应的修正，在不降低计算速度的同时，得到与三维计算更加接近的结果。
射极输出器的特点及主要用途
射极输出器的特点及主要用途一、前言射极输出器是一种电子元器件，是管式放大器中的一种。
它具有许多独特的特点和广泛的应用领域。
本文将从射极输出器的特点和主要用途两个方面进行详细介绍。
二、射极输出器的特点1. 高增益：射极输出器具有高增益，可以将微弱信号放大到足够大的程度。
2. 低噪声：射极输出器具有低噪声，可以在信号处理过程中减少噪声干扰。
3. 宽频带：射极输出器具有宽频带，可以处理高频信号。
4. 低失真：射极输出器具有低失真，可以保证信号处理过程中信号质量不受影响。
5. 高稳定性：射极输出器具有高稳定性，可以在复杂环境下工作。
6. 易于控制：射极输出器易于控制，在不同场合下可以根据需要进行调整。
三、主要用途1. 音频放大：射极输出器广泛应用于音频放大领域。
它可以将微弱的音频信号放大到足够大的程度，从而使人们能够听到清晰的声音。
2. 无线电通信：射极输出器也广泛应用于无线电通信领域。
它可以将微弱的无线电信号放大到足够大的程度，从而使人们能够进行远距离通信。
3. 仪器测量：射极输出器还可以用于仪器测量领域。
它可以将微弱的信号放大到足够大的程度，从而使得仪器可以对其进行精确测量。
4. 激光驱动：射极输出器还可以用于激光驱动领域。
它可以将微弱的控制信号放大到足够大的程度，从而控制激光发射。
5. 显示屏驱动：射极输出器还可以用于显示屏驱动领域。
它可以将微弱的控制信号放大到足够大的程度，从而控制显示屏显示内容。
6. 其他应用：除了以上几个领域外，射极输出器还有许多其他应用。
例如，在火箭发射、卫星通讯、医疗设备等方面都有广泛应用。
四、总结综上所述，射极输出器具有高增益、低噪声、宽频带、低失真、高稳定性和易于控制等特点，广泛应用于音频放大、无线电通信、仪器测量、激光驱动、显示屏驱动等领域。
随着科技的不断发展，射极输出器的应用领域还将不断扩大。
低增益与高增益自由电子激光
kT2
对增益的要求=>最大失谐参数=>对波导管截止波数即波导管尺寸的要求
Qika Jia, IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.49,No.3,pp309-313,2013
关键技术
电子枪
热阴极，光阴极，高重复频率，高品质
加速器
静电加速器，回旋加速器 射频直线加速器，电子储存环, RF源，超导加速
其它相关技术还有，用变参数波动器提高饱和功率。
一, 引言 二，低增益FEL 三，高增益FEL 四，比较
高增益
电子束流强高，波荡器长度长 ： L>3Lg , 20 Lg ；
N 1/ 7 ; ~1
指数增益,典型的可达~107 最大增长率在共振能量
光场振幅、位相显著变化；
相空间网包高度增大, 同步振荡周期变小，
腔镜
反射率高， 调谐范围宽， 功率承载力高（高镜面破坏阈值，抗辐射损伤）
材料的选择，镀制等问题。 位置、方向、角度五维高精度高灵敏度遥控可调（真空中） 可方便切换和更换 。
腔长可调精度：~亚微米
光输出
要求宽调谐，高效高功率
耦合输出方式：
部分透射镜；中心孔耦合输出：
布儒斯特角平板耦合输出：边耦合输出; ….
两种效应都使得增益下降，导致振荡器不能达到饱和甚至不能起振。
例如
磁场间隙↓ => 衍射损失↑ =>可↓磁场周期=> ↑ N
波荡器长度， N↑ => 增益↑ 光损失，
=>衍射损失↑ 光场密度↓ 相互作用区域 ↓
=> 滑移↑ =>增益↓
=>增益↓
波长s 相关
衍射( ZR～1/ s) ， 滑移～ s， 磁场间隙(s) 增益 (s) ， 损耗(s) 光腔参数( s) 波导参数( s)
FEL基础理论
FEL基础理论自由电子激光的基本思想为由加速器产生的相对论电子通过波荡器的同时与光场相互作用，合理选择电子和波荡器参数，使电子与辐射波长满足共振条件，可产生特定波长的辐射。
由于电子相对光场纵向位置不同，即电子与光场相互作用位相不同，与光场作用使得部分电子得到能量，部分电子损失能量，这可导致电子的纵向群聚，群聚使得电子束与光场相互作用加强，大部分电子辐射光位相趋于相同，使辐射受激相干放大，从而形成高亮度相干光束。
1971年，John Madey基于量子力学对FEL进行了理论推导[5]，随后人们发现FEL也可以使用经典理论解释。
经过多年发展，FEL基本理论已比较成熟。
我们参考相关书籍[34,3034]，对FEL理论进行简单介绍。
1 电子运动轨迹常用波荡器分为平面型波荡器和螺旋型波荡器，由于平面型波荡器结构简单，在实际FEL装置中普遍应用，因此本章，以平面型波荡器为例介绍FEL基础理论。
2.1.1 电子在波荡器磁场中运动方程图2.1 平面波荡器示意图运算中设波荡器为理想波荡器，即不考虑实际波动器边缘场效应，忽略场横向变化，且磁场仅在y方向，磁场强度为：其中。
根据洛伦兹定律：电子具有初始速度，忽略除波荡器磁场外的所有电磁场，电子运动方程为：将时间坐标系变为空间位置坐标系有其中为波荡器无量纲参数。
K/γ为电子在波荡器中的最大偏转角度。
电子束的总运动速度是一定的，联立（2.7）和（2.9），可求得电子纵向速度可见电子纵向速度并不是恒定的，还多一个以为周期的振荡项。
在波荡起周期上求平均由（2.7）和（2.9）可以看到由决定，也与有关，而由决定。
如果我们取一级近似，即，那么电子运动轨迹可见在以电子平均速度（Z方向）运动的坐标系中，电子轨迹为平面上的8字形。
如果考虑振荡项，同时在推导过程中忽略的高次项，则有可见电子在X方向做奇次谐波振荡，在Y方向做偶次谐波振荡。
K值越大，谐波辐射越强；谐波次数越高，辐射强度越弱。
调QQ开关技术
两个基本问题： 一、调Q技术的基本概念和基本理论 二、实现调Q技术的方法：
1. 电光调Q ； 2. 声光调Q ； 3. 染料调Q ； 4. 色心晶体调Q； 5. 转镜调Q 。
2.1 概述
一、调Q技术的目的： ❖ 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。
二、一般固体脉冲激光器的输出特性
❖ 1. 输出的脉冲是系列尖峰振荡 激光器在阈值附近工作。
规迹由两光的相位差来决定，当 时，两束光合成
为一线偏光，它的振动方向相对入射光的原振动方向旋转 9被0P度2反。射因掉为。P1所//P以2，光所不以能，在从腔晶内体来出回来传的播光形不成能振通荡过。P这2，就 相当于腔内光子的损耗很大，Q值很高，称为“关门”状 态。
（2）第二阶段：脉冲形成阶段——Q开关完全打开
双 450 Q开关低一倍；适合各种工作物质。
4
缺点：输出的是线偏光，比 450双输出功率低；存在口径
效应。
四、脉冲透射式Q开关激光器 ❖ 1. 原理：
反射式Q开关激光器：由于激光的形成和输 出同时进行，因此脉冲宽度的压缩受了限制。脉 冲透射式Q开关打破了这种限制，把激光形成和 激光的输出分成两阶段。共三个阶段： a． max 、Qmin ，激光不能振荡，积累阶段（透射 损耗大） b似．为 m零ax ）、Qmin ，激光形成但不输出（透射损耗近 c．激光输出阶段（透射损耗大）
利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式 电压，调节腔内光子的反射损耗。 （1）第一阶段：积累阶段
例如：采用KDP纵向运用方式，即Z向加电场，Z向通光
第一阶段是在晶体上加 V 2 。偏振光通过KDP晶体时 分解为沿X和Y方向振动的振幅相等的两束光，两束光的 振动方向垂直，频率相同，沿相同方向传播时，其合成的
激光的形成与发展自从六十年代初发明激光器和观察到激光现象以来
激光的形成与发展自从六十年代初发明激光器和观察到激光现象以来，激光原理、技术、应用等都获得蓬勃的发展。
对基础科学、生命科学、信息科技、军事技术、能源技术，先进制造机器，工农业的发展都已起着很大影响，预期对二十一世纪的科学与技术，国民经济与国防的发展，都将发挥越来愈重要的作用。
本文将就激光的形成与发展作一简要阐述。
一、历史的回顾激光器的发明是与物理学长期基础研究的积累与技术的进步分不开的，至少可追朔到过去的50年。
首先十九世纪末引起物理学观念的革命，1900年德国物理学家普郎克，最先提出辐射的能量是量子化的概念，解释了黑体辐射的能量分布与光波波长的关系。
以后如光电效应等一系列实验结果建立了光的量子论的观念，1913年丹麦物理学玻尔最早用量子论的观念于原子结构的研究，建立起原子中电子运动状态的变化与光辐射的联系，1917年爱因斯坦进而阐述辐射的量子模型时指出，原子中吸收光子只有一个过程，而原子电子发射光子存在两个过程，即自发发射与受激发射，这是首次被理论预言光源发射光子可能被感生辐射或称受激发射，并且指出受激辐射的光子与人射的光子具有相同频率，相同位相，相同偏振，相同传播方向等特性。
但对通常光源在通常发光时温度处于平衡态下受激辐射是无法观察到的。
因之以后多人在研究观察受激辐射，引入负温度、负吸收等概念，直至1955年由美国科学家唐斯等与苏联科学家普罗霍洛夫等，首次提出三能级模型理论，同年实现了氨分子微波激射器。
后于1958年美国的唐斯与萧洛，前苏联科学家巴索夫、普罗霍洛夫分别提出在红外及可见光波段实现量子放大器的理论。
终于1960年首次被美国的梅曼用红宝石作工作介质，用脉冲氙灯作光泵，发明红宝石激光器及观察到激光现象，很快在许多国家的实验室重复了该项实验。
二、激光发射的基本过程（1）辐射的吸收与发射。
众所周知，物质是由原子构成的，原子是由带正电的核与绕核运动的电子所构成。
在微观世界中电子绕核运动能量不能有任意值，只能取某些固定值，为了表达电子的能量状态，通常用符号E来表示，在一般条件下，电子都处于原子中最低态的能量值，称为基态E0，当电子离开基态至能量提升状态时称为激发态（E e），电子由基态至激发态，或由激发态返回基态时，一般伴随有电磁辐射过程，这些辐射可以是可见光、红外线，或紫外线，依赖于二态之间的能量差。
一种高增益、大带宽跨阻放大器的设计
一种高增益、大带宽跨阻放大器的设计杨赟秀;袁菲;明鑫;邓世杰;路小龙;景立;呙长冬【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2017(040)006【摘要】作为激光近炸引信中探测与目标识别核心元件的光电探测器,其性能取决于光电二极管和相应的放大电路.针对引信、制导应用对光电探测器的要求,提出一种新型高增益、大带宽跨阻放大器设计.该跨阻放大器由两级放大电路构成,第1级由两个对称的RGC(Regulated Cascode)结构组成,消除光电二极管漏电流对直流工作点影响,隔离光电二极管寄生电容提升工作带宽;第2级放大电路由3个级联的反相放大器构成,是跨阻放大器的主要增益级;最后以射级跟随器输出,为后续系统提供足够的电压摆幅.该电路基于SMIC 0.35μm标准CMOS工艺设计,仿真结果表明:跨阻增益为110.2 dBΩ,带宽为46.7 MHz,40 MHz处的等效输入噪声电流低至1.09 pA/Hz,带宽内等效输出噪声电压为5.37 mV.测试结果表明,跨阻放大器增益约为109.3 dBΩ,输出电压信号上升时间约为7.8 ns,等效输出噪声电压大小为6.03 mV,功耗约为10 mW,对应芯片面积为1560μm×810μm.%The performance of photoelectric detectors,as the core element for detection and object identification of laser proximity fuse,depends on the photodiode and corresponding amplifier circuit. Aiming at the requirement of fuse and guidance application, a kind of high gain and high bandwidth TIA is proposed. The TIA consists of two-stage amplifier. The first stage is composed of two symmetrical Regulated Cascodes which eliminate the influence of photodiode's leakage current on DC Operating point andinsulate the parasitic capacitance of photodiode to increase the bandwidth of TIA. The second stage consists of three cascade current reuse inverter which is used as the main gain stage. As the output stage, emitter follower is used to provide enough voltage swing for following system. The circuit design is based on SMIC 0.35 μm standard CMOS process. The simulating results indicate that the transimpedance gain is 110.2 dBΩand the bandwidth is 46.7 MHz. At the frequency of 40 MHz the equivalent input noise is as low as 1.09 pA/ Hz and the whole equivalent output noise voltage is 5.37 mV within the frequency bandwidth. Testing results indicate that the transimpedance gain is 109.3 dBΩ,the output rise time is 7.8ns,the e-quivalent output noise voltage is 6.03 mV,and the total power dissipation is less than 10 mW. The die size is 1560μm×810 μm.【总页数】5页(P1451-1455)【作者】杨赟秀;袁菲;明鑫;邓世杰;路小龙;景立;呙长冬【作者单位】西南技术物理研究所激光光电基础技术部,成都610041;西南技术物理研究所激光光电基础技术部,成都610041;电子科技大学微电子与固体电子学院,成都610054;西南技术物理研究所激光光电基础技术部,成都610041;西南技术物理研究所激光光电基础技术部,成都610041;西南技术物理研究所激光光电基础技术部,成都610041;西南技术物理研究所激光光电基础技术部,成都610041【正文语种】中文【中图分类】TN492【相关文献】1.一种高增益大带宽的增益自举型折叠共源共栅放大器设计 [J], 王停;唐海林;赵宗佑;于跃宝2.一种高增益低噪声低功耗跨阻放大器设计与实现 [J], 唐立田;张海英;黄清华;李潇;尹军舰3.一种高性能跨阻式测量放大器的设计 [J], 马玉清;李如平;吴房胜4.一种高增益宽带共栅CMOS电流模跨阻放大器 [J], 杨仕强;方健;张波;张正璠;李肇基5.MEMS谐振器中高增益跨阻放大器设计 [J], 谢勇;来强涛;陈华;姜宇;郭桂良;阎跃鹏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
NdYAG激光器的特性及其在医学领域的应用
Nd:YAG激光器的特性及其在医学领域的应用newmaker激光是60年代初出现的一种新型光源，激光以其高亮度、高单色性、高方向性和高相干性，引起普遍重视，并很快在工农业生产、科学技术、医疗、国防等各个领域得到广泛应用。
激光医学是激光技术与医疗科学有机结合的产物，激光在70 年代开始广泛用于临床;90 年代，随着新型激光器的研制成功，激光与医疗、生物组织科学紧密结合，研究范围日益扩大。
Nd:YAG 激光器以其增益高、阈值低、量子效率高、热效应小、机械性能良好、适合各种工作模式(连续、脉冲) 等特点，在当今各种固体激光器中应用物质相互作用的效果是不同的，不同波长的Nd:YAG激光器采用连续、脉冲等方式工作使激光与不同部位的生物组织相互作用，可以获得良好的疗效。
医用Nd:YAG 激光器在外科手术、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮肤科、美容等方面应用广泛，特别是治疗皮肤色素性疾病，有创伤小、愈合好、无疤痕等独特优点，本文主要介绍Nd:YAG 激光器的特性以及在治疗皮肤疾病方面的应用，使读者了解各种激光器的性能及不同种类激光治疗仪的治疗效果。
一、Nd:YAG 激光器的特性能产生激光的系统，称为激光器。
一台简单的激光器通常由工作物质、泵浦源和谐振腔三部分组成。
自1960 年第一台激光器诞生以来，已有上百种激光器问世。
形形色色的激光器彼此之间差异极大，根据产生激光的工作物质，有气体、液体、固体和半导体激光器等。
固体激光器是以固态基质中掺入少量激活元素为工作物质的激光器，工作物质的物理化学性能主要取决于基质材料，而其光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定。
但发光粒子受基质材料的影响，其光谱特性将有所变化，有的甚至变化很大。
用作基质的主要有刚玉、石榴石晶体及各种玻璃等。
发光粒子称为激活离子，最常用的激活离子为钕、铬等稀土元素离子。
例如世界上第一台激光器所用工作物质为红宝石，就是掺入极少量铬离子的刚玉。
以掺有一定量钕离子(Nd3 + ) 的钇铝石榴石( YAG)晶体为工作物质的激光器，称为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG) 激光器。
英国研制出世界上最高增益的大功率激光放大器
英国研制出世界上最高增益的大功率激光放大器 英国斯特拉斯克莱德大学(University of Strathclyde)的研究人员成功研制出世界上最高增益的大功率激光放大器。
他们利用中央激光设备Vulcan激光系统进行实验，Vulcan装置能够输出150 J的脉冲。
在两次实验中，研究人员与CLF的工作人员密切合作，对Vulcan进行调整，使两束不同颜色的激光光束能够在等离子体中交换能量，实验测得的增益系数为180cm-1，是目前基于固体介质的高功率激光系统放大器的100倍。
相关研究结果发表在《Scientific Reports》杂志上。
Vulcan激光装置的靶区 斯特拉斯克莱德大学物理系的Dino Jaroszynski教授领导了该项研究，他指出：等离子体中的拉曼放大是非常吸引人的概念，该概念将诺贝尔物理学奖获得者CV拉曼的观点与等离子体，光学和激光物理学很好地结合在一起。
相对较长的高能激光脉冲与短的，能量非常低的脉冲在等离子体中相撞。
在其碰撞处会产生一冲击波(beat wave)，和两个水波发生相撞的情况一样。
冲击波的光压会驱动等离子体形成规则或梯形形状，而多层梯形当然，目前的实验结果也显示，仍然有必要进一步对其研究，以期实现单级高增益高效率放大器模块。
例如，我们目前仍然面临的挑战之一是如何处理由随机等离子体波动产生的噪声的放大，由于增益极高，这一现象会加剧。
这会导致的能量损耗。
相关研究正在进行，相信在下一个实验中能够很好地解决这些问题。
领导该研究团队的Gregory Vieux博士指出：等离子体是一种完全分解的介质，因此它没有损伤阈值，因此可以不经过脉冲展宽后再压缩手段来放大短激光脉冲。
另一个优点是在放大期间实现进一步压缩在理论上是可能的，这可能为下一代激光系统的发展铺平道路，新一代的激光系统将能够输出超强和超短脉冲，但成本仅为现有激光器的一小部分。
用于激光雷达接收机的高增益大动态窄脉冲放大器IC模块
用于激光雷达接收机的高增益大动态窄脉冲放大器IC模块王守祥
【期刊名称】《微电子学》
【年(卷),期】1992(22)2
【摘要】本文着重介绍一种用于激光雷达接收机的高增益、大动态、窄脉冲放大器IC模块及其设计思想;针对激光雷达接收机主放大器放大窄脉冲信号的特点和增益G_υ≥60dB,输入动态范围D_i≥60dB的使用要求,我们采用了双增益对放级联来实现小信号放大、对大信号进行瞬时动态压缩的设计思想;解决了研制过程中的一些关键技术问题;并针对整机的实用化进行了部分模拟实验。
试验测试结果表明,该模块已基本达到了设计的指标要求。
【总页数】7页(P30-36)
【关键词】对数放大器;激光雷达;接收机;IC
【作者】王守祥
【作者单位】机电部第24研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN958.98
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调Q技术
几种激光调Q技术
分类： 1、主动式调Q方法（高压、快速电光驱动器或射 频调制器等外部条件人为地改变激光腔内Q值的 技术）： 机械转镜调Q、电光调Q技术、声光调Q技术 2、被动式调Q方法（利用激光波长处吸收系数随 能量密度增加而减少直至饱和的可饱和吸收特性， 将其置于谐振腔内起到调制Q值的作用）： 染料调Q技术
t tD
调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始震荡，在 t t0 振荡 开始建立至以后一个较长时间过程中，光子数 增长十分缓慢，其值 始终很小，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。只有振荡 持续到 t t D 时，增长到了 D ，雪崩过程才形成， 才迅速增大，受 激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。因此，调Q脉冲从振荡开始建 立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间（也就是Q开关开启的持续 时间）。可知，调Q脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒 子数的时刻。
3. 4.
调Q激光器的两种储能方式
1、工作物质储能调Q
脉冲反射式调Q，将能量以激活离子的形式储存在工作物质中。能量 储存的时间，取决激光上能级的寿命。 （1）工作过程 调Q激光脉冲的建立过程，各参量
随时间的变化情况，如图所示。
图（a）表示泵浦速率 W p 图（b）表示腔的Q值是时间的阶跃 函数（蓝虚线）图（c）中； ni 为 Q值阶跃变化时得反转粒子数密度，
电光调Q技术
概念
• 电光效应：沿电光晶体（电光效应显著的晶体） 的某一特定方向加直流电场后，在光轴方向上产 生双折射现象，即入射线偏振光将分解为两个偏 振方向正交的本征偏振光 • 电光调Q一般是指在激光谐振腔内加置一块偏振 片和一块KDP晶体
电光晶体调Q原理
激光器的工作物质为： Nd 3 ：YAG。YAG在氙灯泵 浦下发射自然光。通过偏振棱镜后，出射光束为偏振 方向沿晶体x轴方向的线偏振光。KDP晶体上不加电压 时，光沿晶体光轴方向通过晶体后偏振状态不变，并 经腔全反射镜反射后，再次通过电光晶体和偏振棱镜。 此时，腔的损耗很低，Q值很高，Q开关处于“打开” 状态。
半导体光电子学导论作业2
半导体光电子学导论第二章 异质结2．若异质结由n （111,,φχg E ）型和p （222,,φχg E ）型半导体构成，并有21g g E E <、21χχ>、21φφ<，试画出n P 能带图。
4. 推导出pN 异质结电容j C 与所加正向偏压的关系，j C 的大小对半导体光电子器件的应用产生什么影响？在空间电荷区内，电中性条件成立，因此可以得到结电容的表达式为2/1221121211])(2[)(DD A D A P A D j V N N N eN x eN dV d C εεεε+== 当在异质结两边加上正向电压（即p 型相当于N 型半导体加上正电压）a V 后，它在结面两边空间电荷区上的压降分别为1V 和2V ，这时势垒高度就由原来的D eV 降低到)]()[()(2211V V V V e V V e D D a D -+-=-。
只要用)(a D V V -代替D V ，用)(11V V D -和)(22V V D -分别代替1D V 和2D V ，上式依然成立，因此便得到结电容j C 与所加正向偏压a V 的关系2/122112121]))((2[a D D A D A j V V N N N eN C -+=εεεε 结电容直接影响器件在高频情况下的使用。
5. 用弗伽定律计算As Al Ga x x -1半导体当4.0=x 时的晶格常数，并求出与GaAs 的晶格失配率。
根据弗伽定律Ac AD BC BD ABCD a y x a x y a y x xya a )1)(1()1()1(--+-+-+=易知在这里1=y ，查表得661.5==AlAs BD a a ，654.5==GaAs AD a a ，代入弗伽公式计算得)A (526.4654.5)4.01(1661.514.0)1(=⨯-⨯+⨯⨯=-++=ADBD ABCD a x y xya a6. 探讨在Si 衬底上生长出GaAs 异质结的可能性。
第四代光源——相干光源
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自由电子激光
从广义上来讲，凡利用自由电子与电磁波相互 作用产生的从微波到 X 射线的受激辐射，均被称为 自由电子激光，它可以源于各种物理机制。在特定 含义上是指自由电子通过一个横向周期磁场产生的 光波受激放大与振荡，这就是我们现在常说的自由 电子激光（ FEL） 。FEL 的历史可以追溯到 1951 年。 美国斯坦福大学的莫兹（ Motz）等人使电子注通过 一个横向周期磁场 （ wiggler） ， 观察到亚毫米波的自
图1
电磁波谱
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21 卷第 5 期 (总 125 期 )
49
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点在不同时刻光场之间的相干性。空间相干性是指 光场中不同的空间点在同一时刻光场的相干性。将 非相干辐射化为相干辐射的主要方法，是将自发辐 射变成受激辐射。所谓受激辐射就是电子在某种外 加力的调制（受激）从无序运动变为有序一致运动 时产生的辐射，它的辐射功率远远大于自发辐射。 从目前研究情况来看，利用共振特性将自发辐射变 成受激辐射是一种常用的有效途径。当电子与电磁 场相互作用的时间远大于电磁场周期时，保持有效 相互作用的首要条件是它们之间的同步（共振） 。在 等离子体物理中，充满了大量的波粒子与波波相互 作用，这已经超出了本文的范围。在电子物理与加 速器物理中，这个共振条件一般可写为：
激光原理及应用名词解释大题知识点总结考试专用
第一章1、自发辐射：在没有外界影响时，它们会自发的从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为hu的光子，这种与外界影响无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。
2、受激辐射：如果原子系统的两个能级E2和E1满足辐射跃迁选择定则，当受到外来能量hu=E2-E1的光照射时，处在E2能级的原子有可能受到外来光的激励作用而跃迁到较低的能级E1上去，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。
3、自发辐射和受激辐射的区别：①自发辐射是非相干光，受激辐射是相干光。
②自发辐射跃迁几率就是自发辐射本身，而受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色辐射能量密度的乘积。
③当受激辐射系数B21一定时，外来光的单色辐射能量密度越大，受激辐射几率越高。
4、受激吸收：处于低能级E1的原子受到一个外来光子的激励作用，完全吸收该光子的能量而跃迁到高能级E2的过程，叫作受激吸收。
5、自发辐射、受激辐射、受激吸收之间的关系：在光和大量原子系统的相互作用中，三者之间三种过程是同时发生的。
A21n2dt+B21n2ρvdt=B12n1ρvdt（自发辐射光子数+受激辐射光子数=受激吸收光子数）6、自然增宽:在不受外界影响时，处于激发态的粒子会自发的向低能态跃迁。
也就是说，在自发辐射发光过程中，能量不断衰减，电偶极子的正负中心不再做简谐振动，从而导致光谱线有一定的宽度，叫做自然增宽。
(洛伦兹线型函数)7、均匀增宽介质和非均匀增宽介质的区别:均匀增宽：(1)自然加宽（普遍存在，但在固体工作物质中可忽略）—源于不确定性原理(2)碰撞加宽（存在于气体工作物质中）—源于气体分子碰撞导致的上能级粒子寿命变化(3)晶格振动加宽（存在于固体工作物质中）—源于固体中激光工作粒子在晶格附近的热振动。
非均匀增宽：(1)多普勒加宽（存在于气体工作物质中）——源于工作物质不断地运动而产生的多普勒频移(2)晶格缺陷加宽（存在于固体工作物质中）——源于固体加工时内部产生的晶格缺陷导致工作粒子所处状态不完全相同8、光谱线宽度:通常定义Δv=v2-v1,即相对光强为最大值的1/2处的频率间隔叫做光谱线的半(值)宽度，简称光谱线宽度。
自由电子激光器
自由电子激光器的工作原理自由电子激光器是加速器和激光技术的组合。
其主要技术组成是电子加速器、磁摆动器(大多数自由电子激光器的研究都采用静磁摆动器)、光子光学系统和各种监测、控制系统。
自由电子激光器采用的是射频直线加速器、电子储存环、静电加速器、感应直线加速器等脉冲装置。
从加速器引出的高能电子束相当于激光工作物质，因而电子束质量的好坏直接影响着整个激光器性能。
相对论电子束从激光共振腔的一端注入经过摆动器时，受到空间周期性变化的横向静磁场作用。
磁场由一组“摆动器”或“波荡器”的磁铁产生。
磁铁以交替极性方式布置，磁场为螺旋式或平面式。
在该磁场作用下，电子束在磁摆动器中一边前进，一边有横向摆动。
例如，周期性磁场在水平面内，电子则周期性地上下摆动。
电子的横向及运动方向的改变，表明电子有加速度。
根据电磁辐射理论，电子有加速就必然会辐射电磁波。
这种带电粒子沿弯曲轨道运动而辐射电磁波，被称为同步辐射。
同步辐射有一个比较宽的频率辐射范围，但缺乏单色性和相干性。
这种自发辐射一般不很强，峰值电流100A，脉宽几皮秒的50M ev能量电子束在典型摆动器中将产生1 W 量级峰值自发辐射功率。
在磁场的作用下，电子受到一个作用力而偏离直线轨道，并产生周期性聚合和发散作用。
这相当于一个电偶极子，在满足共振关系的情况下电子的横向振荡与散射光场相互耦合，产生了作用在电子上的纵向周期力——有质动力。
在有质动力的作用下，电子束的纵向密度分布受到调制。
于是，电子束被捕获和轴向群聚。
这种群聚后的电子束与腔内光场(辐射场)进一步相互作用，会产生受激散射光，使光场能量增加，得到具有相干性的激光。
这是通过自发辐射光子和电子相互作用的反馈机制，把自发辐射转换成窄带相干辐射。
而且此辐射电磁波在电子运动的方向上强度最大。
因此，摆动器促成了自由电子激光器中电子和光子间的相互作用。
在电子通过摆动器后，利用弯曲磁铁把电子和光分离。
凡是能使自由电子产生自发辐射的各种机理几乎都可以产生受激辐射，如受激康普顿辐射、受激韧致辐射、受激切伦柯夫辐射、受激喇曼散射、受激电磁冲击辐射等等。
CAEPXFEL
段 。而 韩 国的 Ｐ ＡＬ — Ｘ Ｆ Ｅ Ｌ ＿ ３ ］ 、 瑞士 的 Ｓ ｗｉ ｓ ｓ Ｆ Ｅ Ｌ ｒ ４ 以及 下 一 代 的 欧洲 光 源 （ Ｅ ｕ ｒ ｏ ｐ ｅ ａ ｎ ＸＦ Ｅ Ｌ ） 等 也 依计 划 进
入建 设 阶段 。在 国内 ， 中国科学 院上 海应 用物 理研 究 所正 在 开展 深 紫外 自由 电子 激光 Ｓ Ｄ ＵＶ— ＨＧＨＧ Ｆ Ｅ Ｌ的
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｎ２ ０ １ 文献标志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． １ １ ８ ８ ４ ／ ＨＰ Ｌ Ｐ Ｂ ２ Ｏ １ ５ ２ ７ ． ０ ４ ５ １ ０ ７
第 四代光 源—— Ｘ 波段 自由电子激 光 （ Ｘ Ｆ Ｅ Ｌ ） 具 有高 峰值 亮度 、 短脉 冲 、 单色性、 频率 可 变 等特 点 ， 是 Ｘ射 线发 展 的主要 方 向之一 。 目前 ， 国 际上 已有 Ｌ Ｃ Ｌ Ｓ ＿ 】 和 Ｓ ＡＣ Ｌ Ａ 两 大 ＸＦ Ｅ Ｌ装置 初 步 建成 ， 开始 步 入使 用 阶
李 鹏， 胡和平 ， 闰陇刚， 邓德荣， 单李军
（ 中 国工 程 物 理 研 究 院 应用 电 子学 研 究 所 ，四 川 绵 阳 ６ ２ １ ９ ０ ０ ）
摘 要 ： 中国工程物理研究院计划开展 Ｘ Ｆ Ｅ Ｌ光 源 的研 制 ， 主 要 通 过 电 子 束 在 波 荡 器 中的 辐 射 特 性 产 生 硬 ｘ 射 线 。根 据 理 论 分 析 和 数 值 模 拟 ， 在 电子 束 最 高 能量 可 达 １ ２ Ｇ ｅ Ｖ 的实 际条 件 下 ， 初 步设 计 了一 条 间 隙 可 调 的真 空外 波荡 器 束 线 ， 波荡器分为 ２ ５ 段， 每段长 ３ ． ８ ６ ｍ， 间隙 ７ ～１ ０ ｍｍ， 周期长度 ２ ５ ． ４ ｍｍ ， 磁场 ０ ． ６ ３ ６ ～ １ ． Ｏ ３ Ｔ， 束线总长 １ ２ ０ ｍ左右 ， 辐射光子能量为 ３ ～２ ５ ｋ ｅ Ｖ。 关键词 ： 自 由电 子 激 光 ； 真 空外 波荡 器 ； 模 拟 计 算
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能量提取效率 1/2N。
Lsy
us
au as
弱场:(线性区) 相空间网包高度低，电子多处于开放轨道； L/Lsy <1/4 小信号增益gss<0.4， L<<Lsy，L<2Lg
强场：非线性效应必须考虑 相空间网包高度高，电子在相空间中多数被有质动力势俘获，
所以dLc 较大，初始增益大，可获得窄的光微脉冲，但饱和功率小； dLc 小， 初始增益小，但饱和功率较大
加波导管对滑移也有一定抑制（见后）
衍射效应
长波长：衍射效应严重
瑞利长度，衍射损失刻度
ZR
s
02
0
1
z2
Z
2 R
z处光束半径（相对轴上的e-2光强）
抑制衍射损失
瑞利长度优化；
增益 : g0 gss gn / (1 ) n
光场Pn ：线性 非线性 饱和
n~102
能量提取效率 ≤ 1/2N
脉冲滑移效应
e-速度小于光速， e-通过波动器相对光脉冲落后
Ns=S, 滑移距离
由于脉冲滑移， 到波动器末端， 光脉冲后沿被放大的更多，光脉冲中心后移，
常用光学腔
球面共焦腔 f 1+ f 2=Lc 对腔镜准直误差不敏感，衍射损耗低； 但腔镜上光斑半径小，功率密度大，腔镜易损坏， 束腰半径较大，使得填充因子很小，增益变小
球面共心腔 R1+R2=Lc 束腰半径较小，填充因子较大 腔镜上光斑半径较大，腔镜不易损坏； 但对腔镜准直误差敏感， 衍射损耗较大
FEL振荡器多用近共心腔 R1+R2Lc。
增益长度
Lg
1 2ku
3
短波长
1
1 2
u2au2 fc2 I 2e I A
p
3
s
(I
)1/
3
FEL参数
一, 引言 二，低增益FEL 三，高增益FEL 四，比较
低增益 g<～3
用于振荡器FEL
电子束流强低，波动器长度短: L/Lg<~3
光场振幅位相变化小：光场方程右边 as as0
第十二届加速器物理学术交流会 (2014,8, 兰州）
低增益与高增益自由电子激光
一, 引言 二，低增益FEL 三，高增益FEL 四，比较
work is partly supported by the Major State Basic Research Development Programme of China under Grant No. 2011CB808301 and the National Nature Science Foundation of China under Grant No. 11375199
波荡器
OK，tapped, two color，
光学谐振腔
腔型，腔镜，耦合输出方式
控制测量
光学谐振腔
设计与调节光腔结构，腔镜反射率、几何形状和组合方式等， 使光与电子时间上和空间上最佳重合 在光腔内建立并维持自激振荡； 控制激光的振荡模式，横向分布特性、光束发散角 和谐振频率和脉冲结构； 控制输出光束的特性 实现宽带调谐
L<2Lg，gss<40% L<<Lsy
主要物理效应
光场多程增益 脉冲滑移效应 衍射效应 波导效应 光场模式
光场功率
n
Pn Pn1(1 gn )(1 ) P0 (1+gi )(1 )
i 1
: 光损失；
P0
(2ku L)2
1 Ne,s
Pe
自发辐射
与 谐振腔腔型,长度,腔镜，波荡器长度及间隙，
一起考虑进行优化。
加波导管对光束进行约束；
波导效应
衍射损失～s， 长波长损失严重 增益下降，不能饱甚至不能起振
加波导管对光束进行约束，克服衍射损失
光场分布模式改变 光场频率特性改变 光场增益特性改变 脉冲滑移效也发生改变
kz2
( )2
腔镜
反射率高， 调谐范围宽， 功率承载力高（高镜面破坏阈值，抗辐射损伤）
材料的选择，镀制等问题。 位置、方向、角度五维高精度高灵敏度遥控可调（真空中） 可方便切换和更换 。
腔长可调精度：~亚微米
光输出
要求宽调谐，高效高功率
耦合输出方式：
部分透射镜；中心孔耦合输出：
布儒斯特角平板耦合输出：边耦合输出; ….
光场增益小于小信号增益;
低增益 弱场: (线性区)相空间网包高度低，电子多处于开放轨道；
小信号增益
gss (
L )3 3Lg
sin2 (x / 2) x (x / 2)2
,
(x 4 N D )
<…>：对初始电子能量求平均
g s3/2, L3, -3, Ip； x0: g0； x=2.6: g=gm=0.27(4N)3； 0<x2，=> D/1/2N。
c
kT2
对增益的要求=>最大失谐参数=>对波导管截止波数即波导管尺寸的要求
Qika Jia, IEEE Journaቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ of Quantum Electronics，Vol.49,No.3,pp309-313,2013
关键技术
电子枪
热阴极，光阴极，高重复频率，高品质
加速器
静电加速器，回旋加速器 射频直线加速器，电子储存环, RF源，超导加速
振荡器
自由电子激光三种基本工作模式
低增益，多次
(谐波)放大器
自放大自发辐射 （SASE）
高增益，单次
增益 g=DP/P0
低增益
g<～3 电子束流强低 (< ~101A 波荡器长度短 ~m
高增益
指数增益,典型的可达~107 电子束流强高 ~103 A
波荡器长度长 ~101-102 m
L < ~3 Lg < L（ 20 Lg
谐振腔中光脉冲多次往返，每一程光脉冲都产生变形， 中心逐渐后移和接下来的电子脉冲逐渐失去同步， 最后走出增益介质(呆滞现象)。
短束团（长度<S）长波长：滑移冲效应严重。
滑移效应抑制
对光学谐振腔腔长进行高精度调节dLc
补偿电子和光脉冲之间的滑移，恢复同步。
初始：光场弱，增益显著，滑移效应影响大，需要dLc大； 近饱和：光场强，增益小，滑移效应影响小，需要dLc小。
优化耦合输出率
光耦合 ()
净增益 () 输出功率 ()
功率
()
主要难点：
优质高重复率电子束 低损耗高精度光腔