上海高研院在全相幹自由電子激光研究方麵取得突破進展

中國科學院上海高等研究院自由電子激光團隊在全相幹自由電子激光研究方麵取得重要突破，基於上海軟X射線自由電子激光裝置成功驗證了由我國自主提出的回聲諧波級聯自由電子激光新機製，並獲得了具有優異性能的軟X射線相幹輻射。近日，相關研究成果以“Coherent and ultra-short soft X-ray pulses from echo-enabled harmonic cascade free-electron lasers”為題發表在光學頂級期刊Optica上。

X射線自由電子激光是國際上最先進的光源大科學裝置之一。目前國際上絕大部分X射線自由電子激光都是基於自放大自發輻射機製（SASE），SASE具有極高的峰值亮度和飛秒級超短脈寬等優異性能，但SASE由噪聲起振，其輻射脈衝的相幹性和穩定性不高，還不是X射線波段的“激光”。國際自由電子激光領域最重要的發展方向之一就是產生具備常規激光品質的全相幹X射線輻射，其重要途徑就是采用外種子型自由電子激光運行機製。外種子型自由電子激光的輻射繼承了種子激光的特性，具備全相幹、相位可控和與外部泵浦激光精確同步等優異特性。然而，受到種子激光波長和脈寬的限製，外種子型自由電子激光的短波長覆蓋範圍和脈衝長度調節範圍有限。為進一步拓展外種子型自由電子激光的短波長覆蓋範圍，國際上近些年正在大力發展回聲諧波產生等新型自由電子激光運行模式。

回聲諧波級聯自由電子激光，具有優異的光譜性能：左圖為常規級聯模式，右圖為回聲諧波級聯模式

采用回聲諧波級聯可實現X射線脈衝長度調節和超快脈衝產生

外種子型自由電子激光是我國發展高增益自由電子激光的主要技術路線之一，目前我國全部四台高增益自由電子激光裝置都采用了外種子運行模式。基於上海深紫外自由電子激光裝置和上海軟X射線自由電子激光裝置，我們已先後實現了國際上首個回聲型自由電子激光出光放大和首個極紫外波段回聲型自由電子激光飽和放大。為進一步將外種子型自由電子激光向短波長推進，我院自由電子激光團隊自主提出了回聲諧波級聯的全相幹自由電子激光新機製，隨後，這一機製被上海軟X射線自由電子激光裝置作為基本方案采用，並完成了從原理驗證到軟X射線波段出光放大的全過程。研究結果表明，與傳統外種子型運行機製相比，這一新機製具有十分優異的光譜特性，通過采用我們自主發展的超快X射線脈衝診斷技術（DOI: https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027），我們還驗證了這一新機製在脈衝長度控製和超快脈衝產生方麵的優越性能。這些研究成果為產生亞納米波段的全相幹自由電子激光提供了切實可行的技術路線，並將為X射線非線性光學和超快物理化學等領域提供了理想的研究工具。

目前，意大利的FERMI-FEL裝置和瑞士的SwissFEL裝置均提出采用這一新機製進一步提升其輻射性能的計劃。

該工作得到了國家重點研發計劃項目、國家優秀青年基金項目、國家自然科學基金麵上項目和上海市人才計劃項目的支持。

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