近期，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院自由電子激光團(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)。中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院的齊爭(zhēng)高級(jí)工程師和上海科技大學(xué)與上海高等研究院聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生劉俊昊為論文共同第一作者，上海高等研究院的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項(xiàng)的資助支持。

審核編輯 黃宇