外種子自由電子激光的主要優(you) 勢是可以繼承種子激光的優(you) 秀特性，具有優(you) 異的橫向相幹性、縱向相幹性和波長穩定性等。同時，和任意一個(ge) 信號係統類似，在外種子FEL的高次諧波轉換過程中，種子激光和電子束團的微小噪聲和缺陷也會(hui) 被繼承，並被進一步放大。一般認為(wei) ，外種子FEL的輸出信噪比與(yu) 其諧波轉換次數的平方成反比，即隨著諧波次數的增大，外種子FEL頻譜等性能會(hui) 嚴(yan) 重退化，也就是所謂的噪聲演化問題。因此，噪聲問題被認為(wei) 是限製外種子FEL向X射線擴展的一個(ge) 重要因素。 

中國科學院上海應用物理所研究人員，近日在外種子FEL噪聲研究方麵取得新進展，修正揭示了外種子FEL的噪聲演化規律，相關(guan) 研究成果發表在Phys. Rev. ST-AB 16(2013) 060705，Nucl. Instr. Meth. A 737(2014) 237和Nucl. Instr. Meth. A 753(2014) 56。通過引入種子激光和電子束團之間的相對滑移，研究人員發現，種子激光相位噪聲的放大並非簡單地遵守N平方規律，可以通過增加調製段波蕩器周期數來有效抑製，從(cong) 而改善外種子FEL性能。當種子激光為(wei) 超短脈衝(chong) 情況下，理論和模擬均證明，外種子FEL可以完全補償(chang) 種子激光的相位噪聲，從(cong) 而輸出縱向相幹性非常優(you) 秀的輻射脈衝(chong) 。同時，研究人員還係統地分析了不同模式外種子FEL對電子束團噪聲的響應，發現PEHG和EEHG兩(liang) 種模式可以做到對電子束能量噪聲較小的響應。 

外種子FEL噪聲問題的研究修正了以前的理論預期，證明目前的激光技術可以非常好的滿足外種子FEL對種子激光的要求，並為(wei) 全相幹FEL裝置向更短波長發展提供了理論依據，對建設中的大連相幹光源和上海軟X射線試驗裝置都有積極意義(yi) 。本項研究得到了國家自然科學基金委、國家科技部973項目和中國科學院的資助支持。

文章鏈接：

https://journals.aps.org/prstab/abstract/10.1103/PhysRevSTAB.16.060705

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900213015593

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900214002903

左圖：隨著調製段波蕩器的周期數增加，外種子FEL的噪聲放大倍數逐漸變小。右圖：電子束團的非線性能量chirp對不同模式外種子FEL頻譜的影響，可以看出，HGHG輸出的縱向相幹性明顯降低，EEHG對電子束團能量的chirp不太敏感，而PEHG對這種電子束團能量的不完美型天然免疫。

　　基於(yu) 電子束團相幹輻射的外種子FEL波蕩器準直與(yu) 調試方法 

短波長自由電子激光的飽和出光，不單需要直線加速器提供高品質電子束團，而且需要確保電子束團在波蕩器係統中高精度扭擺，這就涉及到波蕩器係統準直、波蕩器間隙設定、波蕩器段間相位匹配和尾場補償(chang) 等問題。因此，在交付用戶之前，FEL裝置都要經曆漫長的調束階段，以便掌握和優(you) 化整個(ge) FEL裝置的性能。

基於(yu) 電子束團的準直（BBA）是粒子加速器領域常用的準直方法。利用BBA技術，美國LCLS自由電子激光在132m波蕩器達到了小於(yu) 5μm的束流軌道。波蕩器的BBA過程需要改變電子束能量、讀取大量BPM數值和複雜的數值算法，鑒於(yu) 此，LCLS是目前唯一成功運行BBA的FEL裝置。基於(yu) 電子束團自發輻射的準直（PBA），是近年發展起來的FEL波蕩器準直方法。利用波蕩器下遊的光學係統，獨立測量各段波蕩器的自發輻射譜，推出束流軌道相關(guan) 信息，從(cong) 而加以反饋調整。日本SACLA自由電子激光利用PBA在110米波蕩器達到了1μm的束流軌道。

由於(yu) 其優(you) 越的全相幹性和波長穩定性，外種子FEL已經成為(wei) 紫外至軟X射線波段用戶裝置的首選工作模式。外種子FEL電子束團能量相對較低，通常在0.3-1GeV量級，電子束剛性差，大幅改變電子束能量的BBA幾乎無法正常工作；另外，外種子FEL的工作波段沒有可用的晶體(ti) 單色儀(yi) ，無法進行類似SCALA的自發輻射準直。因此，對於(yu) 外種子FEL，探索新的波蕩器係統調試方法，是極具意義(yi) 的一個(ge) 科學問題。

中國科學院上海應用物理研究所長期從(cong) 事外種子FEL物理和實驗研究，科研人員在總結調試經驗的基礎上，提出了基於(yu) 電子束團相幹輻射的外種子FEL波蕩器調試方法，並在SDUV-FEL試驗裝置上完成了實驗驗證，相關(guan) 研究成果近日發表在Phys. Rev. ST-AB. 17 (2014) 100702。研究表明，通過分析已群聚電子束在輻射段波蕩器的相幹輻射性能，同樣能得到波蕩器內(nei) 的束流軌道和共振關(guan) 係等信息，便可以實現外種子FEL波蕩器係統的束流軌道準直。另外，基於(yu) 電子束團相幹輻射的準直技術與(yu) 整個(ge) FEL調試渾然一體(ti) ，更為(wei) 直觀，除波蕩器準直之外，還可以用來設定波蕩器的工作磁間隙和波蕩器的段間相位匹配等。

目前，我國首個(ge) 高增益FEL用戶裝置（大連相幹光源）和首個(ge) X射線FEL（上海軟X射線FEL試驗裝置）均采用外種子FEL工作模式，並在2~3年內(nei) 進入FEL調試階段。因此，基於(yu) 電子束團相幹輻射的波蕩器準直和調試方法的提出，對我國FEL裝置建設有十分重要的實際意義(yi) 。本項研究得到了國家自然科學基金委、國家科技部973項目和中國科學院的資助支持，由中國科學院上海應用物理研究所馮(feng) 超博士和鄧海嘯博士等合作完成。

文章鏈接：

https://journals.aps.org/prstab/abstract/10.1103/PhysRevSTAB.17.100702

在基於(yu) 電子束團相幹輻射的外種子FEL波蕩器準直調試方法中，當電子束在水平方向以一個(ge) 傾(qing) 角進入波蕩器，並且波蕩器的gap大於(yu) FEL共振關(guan) 係所需時，在下遊CCD上看到的電子束團相幹輻射的空間分布，左：SDUV-FEL實驗結果，右：從(cong) 頭至尾的數值模擬結果。

全光學X射線光源的輻射性能提升 

相對於(yu) 射頻電子加速器驅動的X射線光源，發展全光學X射線光源，對減小同步輻射和自由電子激光的裝置規模很有好處。所謂全光學光源，即利用激光等離子尾場加速原理獲得高能量電子束團，並用激光電場來替代常規的波蕩器。激光等離子加速能產(chan) 生比常規射頻加速器高2-3個(ge) 量級的加速梯度，而激光波蕩器的周期長度比常規磁鐵波蕩器小2-3個(ge) 量級，因此，全光學方法可以將光源規模急劇縮小，是桌麵型X射線光源的可行方案，對於(yu) 同步輻射和自由電子激光等光源的普及應用具有十分重要的意義(yi) 。 

激光等離子加速產(chan) 生電子束團峰值流強高（一般可達數千安培），束團長度短（一般僅(jin) 有幾個(ge) 飛秒），橫向發射度極低（如0.1微米弧度），這些特性均十分符合高亮度X射線光源對電子束團的要求。然而，目前為(wei) 止，激光等離子體(ti) 加速產(chan) 生的電子束團能散在1%以上，尚遠遠大於(yu) X射線FEL的需求，這就限製了其在高增益X射線FEL方麵的應用。 

中國科學院上海應用物理研究所研究人員發現，通過耦合電子能量和橫向位置，並調節電子束在激光場中扭擺的中心位置，便可以補償(chang) 全光學X射線光源中電子束團的能散效應，相關(guan) 研究成果近日發表在Optics Express22(2014)13880。具體(ti) 原理如下：首先利用橫向色散元件將電子束團的縱向能量映射到橫向分布；其次激光場在橫向天然具有高斯分布，即場強從(cong) 橫切麵中心位置向四周遞減，隻要入射電子束團不在激光場中心扭擺，便自然感受到橫向場梯度的存在，也就是所謂的具有橫向梯度的激光波蕩器。這樣安排下，不同能量電子均滿足自由電子激光共振條件，便可將能量轉換效率提高2-3個(ge) 量級，並改善FEL橫向模式。

本項研究得到了國家自然科學基金委、國家科技部973項目和中國科學院的資助支持，由中國科學院上海應用物理所張彤博士和鄧海嘯博士等合作完成。（自由電子激光技術部 供稿）

文章鏈接：

https://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-22-11-13880

左圖：全光學光源中，電子束團（紅色圓點）以一個(ge) 橫向偏移進入激光波蕩器場扭擺；中圖：縱向能量和橫向位置關(guan) 聯的電子束團在激光波蕩器梯度場中符合共振關(guan) 係；右圖：全光學光源輻射功率隨激光束斑大小和橫向偏移的變化情況，紅色區域為(wei) 優(you) 化區域。