全相干自由電子鐳射研究方面取得進展

全相干自由電子鐳射研究方面取得進展

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中國科學院上海高等研究院自由電子鐳射團隊在全相干自由電子鐳射研究方面取得進展，基於上海軟X射線自由電子鐳射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鐳射新機制，並獲得了具有優異效能的軟X射線相干輻射。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Optica上。

X射線自由電子鐳射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射線自由電子鐳射都是基於自放大自發輻射機制（SASE），SASE具有極高的峰值亮度和飛秒級超短脈寬等優異效能，但SASE由噪聲起振，其輻射脈衝的相干性和穩定性不高，還不是X射線波段的“鐳射”。國際自由電子鐳射領域最重要的發展方向之一就是產生具備常規鐳射品質的全相干X射線輻射，其重要途徑就是採用外種子型自由電子鐳射執行機制。外種子型自由電子鐳射的輻射繼承了種子鐳射的特性，具備全相干、相位可控和與外部泵浦鐳射精確同步等優異特性。然而，受到種子鐳射波長和脈寬的限制，外種子型自由電子鐳射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鐳射的短波長覆蓋範圍，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鐳射執行模式。

外種子型自由電子鐳射是我國發展高增益自由電子鐳射的主要技術路線之一，目前我國全部四臺高增益自由電子鐳射裝置都採用了外種子執行模式。基於上海深紫外自由電子鐳射裝置和上海軟X射線自由電子鐳射裝置，科學家已先後實現了國際上首個回聲型自由電子鐳射出光放大和首個極紫外波段回聲型自由電子鐳射飽和放大。為進一步將外種子型自由電子激光向短波長推進，研究團隊自主提出了回聲諧波級聯的全相干自由電子鐳射新機制，這一機制被上海軟X射線自由電子鐳射裝置作為基本方案採用，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，與傳統外種子型執行機制相比，這一新機制具有十分優異的光譜特性，透過採用研究人員自主發展的超快X射線脈衝診斷技術（https：//doi。org/10。1016/j。fmre。2022。01。027），進一步驗證了這一新機制在脈衝長度控制和超快脈衝產生方面的優越效能。相關研究成果為產生亞奈米波段的全相干自由電子鐳射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理想的研究工具。

目前，義大利FERMI-FEL裝置和瑞士SwissFEL裝置均提出了採用這一新機制進一步提升其輻射效能的計劃。相關研究工作得到國家重點研發計劃專案、國家優秀青年基金專案、國家自然科學基金面上專案和上海市人才計劃專案的支援。

回聲諧波級聯自由電子鐳射具有優異的光譜效能：左圖為常規級聯模式，右圖為回聲諧波級聯模式

採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

【來源：中科院之聲】

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