未来极紫外光刻技术的发展亟需更高功率的光刻光源，能量回收型自由电子激光光源可以实现千瓦量级以上的功率输出，是一种极具潜力的高功率极紫外光刻光源。主要介绍了高功率能量回收型自由电子激光光源的工作原理、发展现状以及所面临的关键技术挑战。

北京大学3.5-cell直流超导(DC-SRF)光阴极注入器需要一台连续波功率20 kW的1.3 GHz微波功率源。为此北京大学和北京北广科技股份有限公司联合研制了一台由88个放大模块组成的固态微波功率放大器, 这是国内首台L波段连续波大功率固态功率源。在简要介绍这台微波功率放大器设计的基础上, 主要描述其调试过程和重要参数检测并着重讨论了全反射问题。测试结果显示这台功率源的各项参数均达到设计指标, 在输出功率20 kW时的效率为34%, 增益大于85 dB；在整个功率输出范围其增益和相移的变化分别为1.6 dB和9.5°。目前这台功率源已在DC-SRF光阴极注入器调试运行中稳定工作超过2000 h。

基于负电子亲和势GaAs光阴极直流高压注入器, 设计并搭建了国内首套光阴极量子效率分布测量系统。该系统利用单透镜实现逐点扫描, 并采用LabVIEW进行控制和数据读写。实验表明, 该系统单点采样时间小于2.3 s, 分辨率优于0.32 mm。初步测量了GaAs阴极的量子效率分布, 观察到量子效率分布及其衰减的不均匀性, 量子效率较高区域的衰减速率更低。

空间电荷效应是引起发射度增长的主要因素，特别是在高压直流连续波光阴极注入器中。分析了高压直流连续波光阴极注入器中线性空间电荷力的特点及其对电子束横向发射度的影响，并从理论上解析地研究了螺线管发射度补偿的原理及特点。最后利用Parmela程序对中国工程物理研究院高压直流连续波光阴极注入器的发射度补偿作了模拟计算。结果表明，束团电荷量为80 pC的电子束在350 keV高压直流电子枪出口处的横向归一化发射度为5.14 mm·mrad，经过螺线管补偿后，其最小横向发射度变为1.27 mm·mrad。电子束的发射度得到了很好的补偿。

介绍了北京大学光阴极注入器的核心部件3+1/2超导腔的机械性能的设计,通过ANSYS和SUPERFISH程序优化加强筋的个数和位置,解决了超导腔在脉冲条件下由于洛仑兹力引起的超导腔失谐以及当超导腔进行低温调谐时场平滑度变化过大的问题,同时针对复杂超导腔结构进行了低温调谐结构的设计.

介绍了自由电子激光光阴极注入器驱动激光器的组成,研究了激光二极管(LD)抽运的连续锁模振荡器的性能,其输出的种子光的平均功率为10.5 W,微脉冲宽度为11.9 ps,时间同步器的时间抖动值为0.56 ps。种子光经脉冲切割与成形,再经三级脉冲激光二极管抽运放大,最后进行四倍频,可以获得波长为266 nm,微脉冲能量为5 μJ的激光脉冲串,脉冲串的宽度为6 μs。

高平均功率自由电子激光研究中,电子束质量是关键.针对高平均功率自由电子激光目标参数,提出了直流高压连续波光阴极注入器,给出了注入器的束流动力学过程.为了降低输出束流横向发射度,采用特殊结构设计的静电加速腔,加速电压1MV,最大加速梯度10MV/m.用PARMELA程序进行了粒子动力学模拟,电子束束团电荷为0.5nC,束团长度10ps时,注入器输出束流归一化发射度均方根值为5.8mm*mrad.

光阴极注入器型能量回收射频加速器(PERL)是新一代加速器,在高平均功率自由电子激光和下一代高亮度光源等研究中有很好的应用前景.分析了PERL的强流与高平均功率特性,对注入器输出束流品质的要求及光阴极注入器、超导加速腔等关键技术进行了研究,设计分析了一种特殊结构的高压DC-Gun光阴极注入器,能有效地提高DC加速腔中的加速场强,当高压为1MV和加速场达到10MV/m时,产生的电子束流能够基本满足PERL应用要求.同一超导加速段中的束流加速和能量回收的数值模拟计算结果表明,能获得高效率电子束流能量回收效果.

在激光驱动的光阴极注入器产生的高亮度电子束中,空间电荷引起发射度的增长.分析了射频腔中引起发射度增长的因素以及解决这个问题的办法--在射频腔的阴极附近加一个螺旋聚焦磁场进行补偿,也给出了补偿后电子束的发射度并和数值模拟结果进行比较,实验测试表明,所得结果比较符合.

在连续波光阴极注入器的研究中,驱动激光器是一个关键技术,采用连续锁模振荡器的锁模输出作为种子源,用二极管连续泵浦放大,再连续倍频,可以产生符合注入器要求的激光脉冲列作为驱动激光。