封面 | “双剑合璧”：双色X射线激光提供新探针

封面解析

封面形象地展示了X射线自由电子激光装置的工作原理。电子束被注入磁铁极性交替变换的波荡器中，电子因做扭摆运动而在其前进方向上自发地发射电磁辐射。我们在同一段波荡器中放大束流中的两个群聚好的电子束团，从而发出两种不同频率的光。

《光学学报》2023年第04期封面文章 | 张波; 冯超; 齐争; 张文艳; 赵振堂. 基于回声增强高次谐波产生的双色自由电子激光研究[J]. 光学学报, 2023, 43(04): 0434003.

导读

X射线自由电子激光(XFEL)作为最新一代X射线光源，具有极高的峰值亮度、全相干、可调谐以及超短脉冲等优点，其应用涉及物理、化学、材料、生物和医学等多个领域。本文基于回声增强高次谐波产生，提出了能够产生软X射线波段双色自由电子激光脉冲的方案，并对该方案进行了理论模拟和关键技术研究。

研究背景

为满足先进的科学实验需求，双色自由电子激光（FEL）成为了国际上高增益自由电子激光研究发展的前沿方向。

近些年来，回声增强高次谐波产生（EEHG）、这一全相干FEL新运行机制发展迅速，该机制可以有效提高外种子FEL 的高次谐波转换效率，在正常能量调整深度条件下，可以产生种子激光波长的几十次谐波的微聚束，进而有可能利用单级 EEHG、通过常规的紫外波段的种子激光，产生软 X 射线波段的全相干FEL。

上海软 X 射线自由电子激光装置（SXFEL）是我国第一台X射线自由电子激光装置，EEHG也是SXFEL的基本运行模式之一。在这些背景下，我们在SXFEL装置上开展了基于EEHG模式的全相干软 X 射线双色FEL研究。

双色自由电子激光研究

本研究课题提出了在 SXFEL 装置上、基于 EEHG产生双色 FEL 的新方案，利用双色双脉冲的种子激光系统，采用 EEHG 运行模式，产生软 X 射线波段的全相干双色 FEL，基本布局如图1中所示。在该方案中，由于所用种子激光包含两个中心波长不同的脉冲，因此最终通过EEHG产生的也是两个中心波长不同的软X射线FEL脉冲，也即产生了双色FEL。

图1 双色FEL方案基本布局

双色双脉冲种子激光是该方案的关键核心技术之一，其设计如下图2所示，基本方案是将 800 nm 常规激光分到两路三倍频系统，通过调节两路三倍频中 BBO 晶体的角度来独立调节输出紫外激光的中心波长，并且在一路三倍频系统中加入可调的时间延迟机构，之后将两路紫外激光合束，得到实验所需的双色双脉冲种子激光。

图2 双色双脉冲种子激光系统

研究团队首先搭建了该种子激光系统，测试了两路三倍频产生紫外激光脉冲的能力，给出了三倍频的转换效率，同时测试了种子激光的中心波长如图3（a）中所示，得到了中心波长分别为 264.85 nm 和 266.28 nm的双色种子激光，在图3（b）中还展示了双脉冲种子激光的时间延迟，采用互相关法测量了双脉冲激光的脉宽以及时间间隔，单个紫外激光的脉冲宽度均为 170 fs，两个脉冲之间的时间间隔约为2 ps，通过调节光契角对，可以在 0-1 ps 之间连续改变两束紫外光的时间间隔。

图3 双色双脉冲种子激光光谱（a）与脉冲时间延迟（b）测试结果

最后，根据 SXFEL 装置的实际束流参数，利用该双色双脉冲种子激光，进行了三维的 FEL 数值模拟，模拟结果表明，最终可以获得中心波长分别为 5.884 nm 和 5.894 nm、峰值功率约 300 MW的全相干软 X 射线双色 FEL 辐射脉冲，如图4中所示。

图4 全相干软X射线双色FEL功率（a）和光谱（b）

后续工作展望

近年来，我国的高增益自由电子激光原理、技术及装置发展迅速且成果显著，今后将继续在相关研究领域开展最先进的前沿研究工作，为用户提供具有国际领先性能的X射线光源。

科学编辑 | 张波; 冯超; 齐争; 张文艳; 赵振堂.

编辑 | 张浩佳

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