基于电光调制方案的高精度束流到达时间测量研究

论文摘要

自由电子激光（free electron laser,FEL）的蓬勃发展推动着诊断技术的不断进步。FEL装置的飞秒量级束流抖动测量、FEL装置基于束团反馈实现十几飞秒的束流到达时间稳定性控制和泵浦探测（pump-probe）实验飞秒量级的FEL脉冲到达时间测量都离不开高精度束流到达时间测量系统（Bunch Arrival-time Measurement,BAM）。随着我国FEL的不断发展,不管是采用基于外种子型运行模式的上海软X射线自由电子激光装置（Shanghai Soft X-ray FEL facility,SXFEL）和大连相干光源（Dalian Coherent Light Source,DCLS）,还是采用基于SASE运行模式的硬X射线自由电子激光装置（Shanghai HIgh repetitio N rate XFEL and Extreme light facility,SHINE）,都对装置的束流到达时间测量分辨率提出了更高的要求。在这样的历史机遇下,本论文以SXFEL为背景,开展高精度束流到达时间测量研究具有重要的实际应用价值。论文对国际上各主流实验室BAM的研究进展进行了充分的调研。相较于传统射频BAM方案,基于电光调制方案的BAM方案在长距离FEL装置中能获得更高的时间分辨率,满足同步实验中最为苛刻的pump-probe实验的测量精度。为满足SXFEL和SHINE对高精度束流到达时间测量分辨率的需求,开展了基于电光调制方案的高精度束流到达时间测量的研究。论文首先从BAM系统概述出发,引出组成BAM系统的各个子系统,并对光学同步系统的时间稳定性做了理论概述;介绍了Button型和Cavity型这两种可以作为专用BAM信号耦合腔类型选取的信号耦合机理。搭建了BAM电光前端原型机。从光学同步系统传输来的激光脉冲阵列在BAM电光前端原型机中被光分路器分成两路,其中一个路作为被调制光输入电光强度调制器（Electro-Optical intensity Modulator,EOM）,另一个路作为模数转换器（Analog Digital Converter,ADC）的采样时钟,以保持与调制路激光脉冲同步。BAM耦合腔耦合出的射频信号通过EOM调制脉冲幅度,将射频信号中的到达时间信息编码进激光脉冲的幅度中。EOM作为调制过程的关键器件,建立了EOM关于外加电场与激光脉冲幅度的关系理论模型,并给出了束流到达时间测量分辨率的理论计算公式。实现BAM电光前端原型机中薄铝板5.5 m K（rms）温度稳定性控制,满足BAM系统的精度控制要求。开展了对BAM电光前端原型机中电光调制过程理论模型的实验验证,实验数据拟合与理论建模匹配度很好,这对BAM系统进一步优化有指导意义。搭建了BAM读出电子学原型机。对从BAM电光前端原型机传输来的受过调制的激光脉冲和时钟脉冲进行光电转换、放大、功分和衰减等脉冲波形调理处理。利用FPGA技术实现数据处理和通讯,提出通过数据位对齐时钟的校准方法解决了数据高速传输的不稳定性;通过FIFO的跨时钟域信号处理实现异步时钟同步化,同时利用外部触发信号截取包含携带束流到达时间信息的脉冲数据,实现无效数据的滤除;提出基于BAM读出电子学方案测试EOM的传输曲线以确定偏置电压静态工作点,解决了基于光功率计测试方案的繁琐和实时性差等问题,实现动态追踪。最后,我们对BAM系统进行了性能测试、评估和优化。其中,探测精度是一个可以衡量BAM系统性能的重要参数。测试结果表明所搭建的BAM系统归一化瞬时脉冲幅度噪声探测精度为0.28%,该精度接近国际同类型系统水平,这为SXFEL、DCLS和SHINE实现束流到达时间<10 fs的测量分辨率打下很好的基础。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 BAM研究现状

1.2.1 BAM射频方案

1.2.2 BAM光学方案

1.3 论文的研究思路和主要内容

第二章束流到达时间测量原理

2.1 BAM系统布局和工作原理

2.2 光学同步系统

2.2.1 正弦信号相位稳定性分析

2.2.2 相位不稳定性的分类

2.2.2.1 短期不稳定性和长期不稳定性

2.2.2.2 随机和系统不稳定性

2.2.2.3 绝对和相对稳定性

2.2.2.4 频率漂移和老化

2.2.3 相位不稳定性的表征

2.2.3.1 频域中的测量

2.2.3.2 相位抖动

2.2.4 射频时钟源

2.2.4.1 振荡器相位噪声

2.2.4.2 倍频器噪声

2.2.4.3 分频器噪声

2.2.2.4 锁相环噪声模型

2.2.4.5 放大器相位噪声

2.2.5 传输媒介引入的长期相位漂移

2.2.6 光学主振荡器

2.2.6.1 相位噪声测量

2.3 BAM信号耦合腔

2.3.1 运动带电粒子的电磁场

2.3.2 Button型信号耦合腔

2.3.3 Cavity型信号耦合腔

2.4 本章小结

第三章 BAM光学前端原型机的设计和实现

3.1 BAM射频前端

3.2 BAM电光前端布局

3.2.1 马赫-曾德尔型EOM

3.2.2 BAM电光强度调制原理

3.2.3 温度控制管理

3.3 EOM性能参数测试

3.4 本章小结

第四章 BAM读出电子学原型机的设计和实现

4.1 BAM射频前端调理

4.2 高速高精度数据采集

4.2.1 ADC芯片功能评估

4.2.2 ADC采样时钟

4.2.3 ADC数字信号输出驱动电路

4.3 高性能FPGA数字信号处理

4.3.1 Kintex-7 系列的高性能FPGA

4.3.2 DDR LVDS高速ADC接口

4.3.3 基于FIFO的异步跨时钟域设计

4.3.4 千兆以太网数据传输

4.4 基于BAM读出电子学的EOM传输曲线测试

4.5 本章小结

第五章 BAM系统性能测试与实现

5.1 BAM系统的幅度噪声探测精度

5.2 脉冲噪声引入的测量误差

5.3 束流测试计划及未来更高分辨率BAM的改进和发展方向

5.4 本章小结

第六章总结与展望

参考文献

学术论文目录及会议交流情况

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 汪金国

导师: 刘波

关键词: 自由电子激光,束流到达时间测量,电光调制

来源: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)

分类号: TN24

总页数: 125

文件大小: 7841K

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