前沿进展 | 基于回声谐波级联的全相干软X射线自由电子激光

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“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，中国科学院上海高等研究院自由电子激光团队在全相干自由电子激光研究方面取得重要突破，基于上海软X射线自由电子激光装置成功验证了由我国自主提出的回声谐波级联自由电子激光新机制，并获得了具有优异性能的软X射线自由电子激光饱和放大。
相关研究成果以“Coherent and ultra-short soft X-ray pulses from echo-enabled harmonic cascade free-electron lasers”为题于2022年7月13日发表于Optica。2022 | 前沿进展

02 研究背景

X射线自由电子激光是国际上最先进的光源大科学装置之一，能够为能源科学、生命科学、材料科学和超快物理化学等诸多学科提供革命性的研究工具。目前，国际上绝大部分X射线自由电子激光都是基于自放大自发辐射机制（Self-Amplified Spontaneous Emission, SASE），SASE具有极高的峰值亮度和波长连续可调等优异性能，但SASE由噪声起振，其辐射脉冲的相干性和稳定性不高，还不是真正意义上的X射线“激光”。

国际自由电子激光领域最重要的发展方向之一就是产生具备常规激光品质的全相干X射线辐射，其重要途径就是采用外种子型自由电子激光运行机制。外种子型自由电子激光的辐射继承了常规激光的特性，具备全相干、相位可控和与外部泵浦激光精确同步等优异性能。

然而，受到种子激光波长和脉宽的限制，外种子型自由电子激光的短波长覆盖范围和脉冲长度调节范围有限。为解决这些问题，国际上近些年正在大力发展回声谐波产生等新型自由电子激光运行模式。

外种子型自由电子激光是我国发展高增益自由电子激光的主要技术路线之一，目前我国全部四台高增益自由电子激光装置都采用了外种子运行模式。基于上海深紫外自由电子激光装置和上海软X射线自由电子激光装置，上海高等研究院自由电子激光团队已先后实现了国际上首个回声型自由电子激光出光放大和首个极紫外波段回声型自由电子激光饱和放大。

03 研究创新点

为进一步将外种子型自由电子激光向短波长推进，该团队自主提出了“回声谐波级联”这一全相干自由电子激光的新机制。这一新机制巧妙地将回声型谐波产生的高谐波转换效率与高增益高次谐波的强相干群聚等特性相结合，在保证辐射脉冲高相干性的同时，还能够大幅拓展外种子型自由电子激光的短波长覆盖范围。

随后，该新机制被我国首台软X射线自由电子激光装置——上海软X射线自由电子激光作为基本方案采用，并于国际上率先完成了从原理验证到软X射线出光放大的全过程。

研究结果表明，与传统外种子型自由电子激光运行机制相比，该新机制具有十分优异的光谱特性。如图1中右图所示，其纵向相干性接近傅里叶转换极限，且中心波长具有极好的稳定性。该团队通过采用自主研发的超快X射线脉冲诊断技术，还验证了这一新机制在脉冲长度控制和飞秒级超快脉冲产生方面的优越性能（图2）。

图1 回声谐波级联自由电子激光具有优异的光谱性能：左图为常规级联模式，右图为回声谐波级联模式

图2 采用回声谐波级联可实现X射线脉冲长度调节和超快脉冲产生

04 总结与展望

该项研究成果为产生亚纳米波段的全相干自由电子激光提供了切实可行的技术路线，并为X射线非线性光学和超快物理化学等领域提供了理想的研究工具。目前，意大利的FERMI自由电子激光装置和瑞士的SwissFEL装置均提出采用回声谐波级联机制进一步提升其辐射性能的计划。

该工作第一单位为中国科学院上海高等研究院，第一作者为冯超研究员，通讯作者为赵振堂院士和刘波研究员。该项工作得到了国家重点研发计划项目、国家优秀青年基金项目、国家自然科学基金面上项目和上海市人才计划项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.466064

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编辑 | 方紫璇

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