Conception d'optimisation de forme du miroir décalé en FEL

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9653 (2023) Citer cet article

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De nos jours, en raison des avantages d'une puissance de crête élevée, d'une puissance moyenne élevée, d'une impulsion ultra-courte et de caractéristiques entièrement cohérentes, le laser à électrons libres (FEL) à taux de répétition élevé prospère dans de nombreux pays du monde. La charge thermique provoquée par le FEL à taux de répétition élevé pose un défi majeur à la forme de la surface du miroir. Surtout dans le cas de puissance moyenne élevée, comment contrôler parfaitement la forme du miroir pour maintenir la cohérence du faisceau est devenu un problème difficile dans la conception des lignes de lumière. En plus du PZT multisegment, lorsque plusieurs éléments chauffants résistifs sont utilisés pour compenser la forme du miroir, le flux thermique (ou puissance) généré par chaque élément chauffant doit être optimisé pour obtenir une erreur de hauteur inférieure au nanomètre. Cet article établit le modèle MHCKF pour la déformation de la surface du miroir sous l'effet combiné de la déformation initiale du miroir, de la déformation thermique provoquée par les rayons X et de la déformation compensée par plusieurs éléments chauffants. En recherchant le terme de perturbation dans le modèle mathématique, la solution des moindres carrés des flux thermiques générés par tous les appareils de chauffage peut être obtenue. Cette méthode peut non seulement définir plusieurs contraintes sur les flux thermiques, mais également obtenir rapidement leurs valeurs en minimisant l'erreur de forme du miroir. Il résout le problème des processus d'optimisation chronophages rencontrés par les logiciels d'analyse par éléments finis traditionnels, notamment dans le contexte de l'optimisation multi-paramètres. Cet article se concentre sur le miroir décalé de la ligne de lumière FEL-1 du S3FEL. Grâce à cette méthode, l’optimisation de 25 flux thermiques générés par tous les radiateurs résistifs a été réalisée en quelques secondes à l’aide d’un ordinateur portable ordinaire. Les résultats indiquent que l'erreur RMS de hauteur a diminué de 40 nm à 0,009 nm et que l'erreur RMS de pente a été réduite de 192,7 nrad à 0,4 nrad. Les simulations en optique ondulatoire montrent que la qualité du front d’onde a été considérablement améliorée. De plus, certains facteurs affectant l'erreur de forme du miroir, tels que le nombre de radiateurs, un taux de répétition plus élevé, le coefficient du film et la longueur du tube de cuivre, ont été analysés. Les résultats montrent que le modèle MHCKF et l'algorithme d'optimisation peuvent résoudre efficacement le problème d'optimisation de la compensation de la forme du miroir avec plusieurs éléments chauffants.

Ces dernières années, grâce au développement rapide de la technologie supraconductrice, il est possible de développer une installation utilisateur de laser à électrons libres (FEL) à rayons X à taux de répétition élevé. Plusieurs installations sont en cours de conception ou de construction dans le monde, telles que le laser européen à électrons libres à rayons X (XFEL)1, FLASH2, le Linac Coherent Light Source II (LCLS-II)3 et le Shanghai High-repetition Hard X. Laser à électrons libres (SHINE)4. En Chine, outre SHINE, le laser à électrons libres à rayons X mous supraconducteurs de Shenzhen (S3FEL) est une nouvelle source de lumière en phase de proposition à l'Institute of Advanced Science Facilities (IASF) de Shenzhen. S3FEL se compose d'un accélérateur linéaire supraconducteur CW de 2,5 GeV et de quatre lignes d'onduleurs initiales, visant à générer des rayons X entre 40 eV et 1,24 keV à des fréquences allant jusqu'à 1 MHz5. La première phase de S3FEL comprend quatre lignes de lumière, parmi lesquelles FEL-1 fonctionnera en mode SASE avec un taux de répétition allant jusqu'à 100 kHz. La disposition optique de FEL-1 est illustrée à la figure 1.

Disposition optique de la ligne de lumière FEL-1 au S3FEL.

La ligne de lumière FEL-1 vise à construire trois stations terminales expérimentales, dont la station d'imagerie par diffraction cohérente à résolution temporelle (tr-CDI), la station photoélectronique de surface à pression ambiante à pression ambiante (AP-XPS) et la station de diffusion de rayons X mous résonants. (y compris RIXS et REXS), respectivement. Comme le montre la figure 1, de nombreux miroirs sont utilisés pour répondre aux exigences des stations terminales expérimentales. Le premier miroir de la ligne de lumière, le miroir décalé (M1), est essentiel au maintien de la stabilité des photons et de la longueur d’onde. Selon les critères Maréchal6, pour une transmission cohérente, l'erreur de hauteur RMS du miroir décalé doit être inférieure à 0,9 nm et l'erreur de pente RMS doit être inférieure à 100 nrad, qui sont plus strictes que celles des miroirs des installations de rayonnement synchrotron. Il est donc nécessaire de choisir un schéma de contrôle de forme approprié.