近期，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上海高研院”）自由電子激光團(tuán)隊(duì)在高重復(fù)頻率全相干自由電子激光（FEL）新機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展，首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自主提出的“直接放大驅(qū)動(dòng)型諧波產(chǎn)生”（Direct-Amplification Enabled Harmonic Generation Free-Electron Laser, DEHG-FEL）新機(jī)制，并成功實(shí)現(xiàn)了其出光放大和穩(wěn)定運(yùn)行。這標(biāo)志著在實(shí)現(xiàn)兆赫茲（MHz）量級(jí)重復(fù)頻率的全相干極紫外（EUV）和X射線(xiàn)FEL光源的道路上，邁出了關(guān)鍵一步。

相關(guān)成果以“First Lasing and Stable Operation of a Direct-Amplification Enabled Harmonic Generation Free-Electron Laser”為題發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上，并被選為“編輯推薦”（Editors' Suggestion）。上海高研院齊爭(zhēng)高級(jí)工程師和上海科技大學(xué)與上海高研院聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生劉俊昊為論文共同第一作者上海高研院馮超研究員和趙振堂院士為論文通訊作者 。

高重復(fù)頻率的全相干EUV與軟X射線(xiàn)FEL在先進(jìn)的時(shí)間分辨光譜學(xué)、相干衍射成像以及納米結(jié)構(gòu)和納米器件的超快動(dòng)力學(xué)研究等前沿領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景 。然而，傳統(tǒng)的外種子型FEL方案通常需要峰值功率高達(dá)百兆瓦（~100 MW）量級(jí)的紫外種子激光來(lái)驅(qū)動(dòng)，這使得其重復(fù)頻率通常受限于千赫茲（kHz）量級(jí)。

圖1 通過(guò)FEL高增益過(guò)程直接將種子激光放大至高功率，同時(shí)保持種子激光的相干性

上海高研院自由電子激光團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于高重復(fù)頻率全相干FEL研究。此前，團(tuán)隊(duì)已在上海軟X射線(xiàn)自由電子激光裝置（SXFEL）上驗(yàn)證了相干能量調(diào)制的自放大機(jī)制（Physical Review Letters, 126, 084801, 2021）。在本項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用長(zhǎng)調(diào)制段，通過(guò)高增益FEL過(guò)程對(duì)弱種子激光信號(hào)進(jìn)行直接放大，從而獲得了高功率、穩(wěn)定的調(diào)制激光（圖1）。在此過(guò)程中，電子束獲得了足夠的能量調(diào)制，經(jīng)過(guò)色散段形成光波長(zhǎng)尺度的相干微聚束，進(jìn)而產(chǎn)生了最高達(dá)12次諧波的全相干輻射輸出。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將7次諧波放大至飽和，獲得了約160微焦的飽和脈沖能量，能量穩(wěn)定性達(dá)到5.5%。通過(guò)諧波級(jí)聯(lián)過(guò)程，團(tuán)隊(duì)還成功實(shí)現(xiàn)了16次諧波輸出，輸出光譜帶寬接近傅里葉轉(zhuǎn)換極限，這表明DEHG-FEL在縱向相干性方面得到了良好的保持（圖2）。

圖2 通過(guò)諧波轉(zhuǎn)換過(guò)程獲得穩(wěn)定、全相干的短波長(zhǎng)自由電子激光輸出

DEHG技術(shù)以其簡(jiǎn)潔的裝置配置實(shí)現(xiàn)了對(duì)極弱種子激光信號(hào)的有效放大，原理上可以將種子激光功率降低兩至三個(gè)數(shù)量級(jí)，并具備穩(wěn)定、可控、高次諧波輸出的能力，特別適合于高重復(fù)頻率外種子型自由電子激光。此外，它還有潛力為更復(fù)雜的雙級(jí)種子方案（如回聲驅(qū)動(dòng)諧波產(chǎn)生，EEHG）提供實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率的解決方案。未來(lái)，該方案有望與高次諧波產(chǎn)生技術(shù)（high-order harmonic generation，HHG）相結(jié)合，為軟X射線(xiàn)波段的超快光譜學(xué)、成像和材料科學(xué)研究提供全新手段。

本研究得到了上海軟X射線(xiàn)自由電子激光裝置（SXFEL）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃和上海市科技重大專(zhuān)項(xiàng)的資助支持。

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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/sslg-jjkz

轉(zhuǎn)自：中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院

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