近日，上海光源中心自由電子激光團隊在X射線自由電子激光振蕩器研究方麵取得重要進展，理論提出了一種產(chan) 生渦旋X光的方法。
研究表明，僅(jin) 僅(jin) 通過增益失諧的調節，X射線自由電子激光振蕩器的輸出就可以從(cong) 傳(chuan) 統的高斯光變為(wei) 渦旋光。相關(guan) 成果以“Generating X-rays with orbital angular momentum in a free-electron laser oscillator”為(wei) 題，以研究快報形式作為(wei) 本期封麵文章發表在美國光學學會(hui) 權威期刊Optica (IF=11.1)，中國科學院上海應用物理所博士研究生黃楠順為(wei) 論文第一作者，中國科學院上海高等研究院鄧海嘯研究員為(wei) 論文通訊作者。這是Optica發表的第一項X射線自由電子激光物理方麵的研究工作。

X射線自由電子激光振蕩器產(chan) 生全相幹渦旋X光示意圖（雜誌封麵圖片）

渦旋光是一種特殊性質的光，其產(chan) 生、調控和探測是光學領域的研究熱點。渦旋光已經應用於(yu) 很多領域，包括數據傳(chuan) 輸、操縱微觀粒子運動和精密測量等。渦旋光的產(chan) 生通常需要螺旋相位板或全息光柵等難以加工的光學器件，非常不易，尤其是X射線渦旋光的產(chan) 生是一個(ge) 亟待解決(jue) 的關(guan) 鍵問題。自由電子激光是一種基於(yu) 粒子加速器的先進光源，可以產(chan) 生高亮度，短脈衝(chong) 的X射線，渦旋光與(yu) 自由電子激光結合有望為(wei) 光子科學提供新的機遇。目前，自由電子激光產(chan) 生渦旋X光的方案需要螺旋波蕩器，並且要工作在調製激光的高次諧波上，同樣不容易實現。
為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，研究人員提出了一種在X射線自由電子激光振蕩器中產(chan) 生全相幹渦旋光的方法。該方法無需光學轉換元件和螺旋波蕩器，僅(jin) 僅(jin) 利用了增益失諧來控製高階橫向模式的增益，從(cong) 而在傳(chuan) 統X射線自由電子激光振蕩器中自然地產(chan) 生渦旋光。基於(yu) 上海硬X射線自由電子激光裝置的模擬結果顯示，該方法能在1兆赫茲(zi) 重複頻率下產(chan) 生單個(ge) 脈衝(chong) 能量為(wei) 100微焦的渦旋X光束。這是目前全相幹渦旋X光的唯一產(chan) 生方案，對於(yu) 進一步拓展X射線自由電子激光振蕩器研究、開發新的實驗方法有重要的意義(yi) 。

 X射線自由電子激光振蕩器中橫向模式的演化。

2008年X射線自由電子激光振蕩器概念提出以來，上海光源中心自由電子激光團隊已經在X射線自由電子激光振蕩器研究方麵取得多項進展，持續推動相關(guan) 研究發展。2012年，提出了X射線自由電子激光振蕩器的諧波運行模式(Physical Review Letters, 108, 034802)，在該模式下，中等能量電子束團可以驅動X射線自由電子激光振蕩器，極大降低了對電子束能量的要求。2018年，提出了增益光導型X射線自由電子激光振蕩器 (Applied Physics Letters, 113, 061106)，在沒有聚焦元件狀態下，增益自聚焦效應可以維持X射線自由電子激光振蕩器的橫向模式，而輸出效率和穩定性不受影響。
本項研究得到了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃項目、中國科學院和上海市的資助支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.428341