近期，中國科學院上海高等研究院自由電子激光團隊在高重複頻率全相幹自由電子激光（FEL）新機製研究方麵取得進展，首次實驗驗證了自主提出的“直接放大驅動型諧波產(chan) 生”（DEHG-FEL）新機製，並成功實現其出光放大和穩定運行。這標誌著在實現兆赫茲(zi) （MHz）量級重複頻率的全相幹極紫外（EUV）和X射線FEL光源的道路上，邁出了關(guan) 鍵一步。

高重複頻率的全相幹EUV與(yu) 軟X射線FEL在先進的時間分辨光譜學、相幹衍射成像以及納米結構和納米器件的超快動力學研究等前沿領域具有重要應用前景。然而，傳(chuan) 統的外種子型FEL方案通常需要峰值功率高達百兆瓦量級的紫外種子激光來驅動，這使得其重複頻率通常受限於(yu) 千赫茲(zi) 量級。

上海高研院自由電子激光團隊此前已在上海軟X射線自由電子激光裝置（SXFEL）上驗證了相幹能量調製的自放大機製。在本項工作中，研究團隊采用長調製段，通過高增益FEL過程對弱種子激光信號進行直接放大，從(cong) 而獲得了高功率、穩定的調製激光。在此過程中，電子束獲得了足夠的能量調製，經過色散段形成光波長尺度的相幹微聚束，進而產(chan) 生了最高達12次諧波的全相幹輻射輸出。團隊進一步將7次諧波放大至飽和，獲得了約160微焦的飽和脈衝(chong) 能量，能量穩定性達到5.5%。通過諧波級聯過程，團隊還成功實現16次諧波輸出，輸出光譜帶寬接近傅裏葉轉換極限，這表明DEHG-FEL在縱向相幹性方麵得到了良好保持。

DEHG技術以其簡潔的裝置配置實現了對極弱種子激光信號的有效放大，原理上可以將種子激光功率降低兩(liang) 至三個(ge) 數量級，並具備穩定、可控、高次諧波輸出的能力，特別適合於(yu) 高重複頻率外種子型自由電子激光。此外，它還有潛力為(wei) 更複雜的雙級種子方案（如回聲驅動諧波產(chan) 生，EEHG）提供實現高重複頻率的解決(jue) 方案。未來，該方案有望與(yu) 高次諧波產(chan) 生技術（HHG）相結合，為(wei) 軟X射線波段的超快光譜學、成像和材料科學研究提供全新手段。

相關(guan) 研究成果以First Lasing and Stable Operation of a Direct-Amplification Enabled Harmonic Generation Free-Electron Laser為(wei) 題，發表於(yu) 《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，並被選為(wei) “編輯推薦”文章。

該研究得到上海軟X射線自由電子激光裝置、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃和上海市科技重大專(zhuan) 項的支持。

論文鏈接

高重頻全相幹自由電子激光研究取得進展

通過FEL高增益過程直接將種子激光放大至高功率，同時保持種子激光的相幹性

通過諧波轉換過程獲得穩定、全相幹的短波長自由電子激光輸出