軟X射線自由電子激光裝置實驗研究取得新進展

　　近日，中國科學院上海高等研究院、上海應用物理研究所自由電子激光團隊，在外種子自由電子激光研究方面取得重要進展，理論提出了一種相干能量調制的自放大機制，并基于上海軟X射線自由電子激光裝置（SXFEL）完成實驗驗證。研究表明，這一新機制可降低外種子自由電子激光對外種子激光的功率需求，解決了外種子自由電子激光通往高重復頻率運行的關鍵問題。相關研究成果以Self-Amplification of Coherent Energy Modulation in Seeded Free-Electron Lasers為題，發表在Physical Review Letters上。

　　自由電子激光利用相對論電子束產生具有很高亮度的飛秒至阿秒級X射線脈沖，已成為原子分子物理、材料科學和生命科學等領域的關鍵工具。外種子自由電子激光利用外部種子激光對電子束團引入相干能量調制，從而產生高穩定性、全相干的自由電子激光脈沖。然而，現有運行模式對種子激光的性能需求，尤其是高峰值功率需求，是外種子自由電子激光通往高重復頻率運行的瓶頸。

　　在該工作中，研究人員提出利用電子束團的自調制來放大初始的相干能量調制，從而將外部種子激光的峰值功率需求放松1-2個量級。同時，利用上海軟X射線自由電子激光裝置已經具備的硬件條件，演示了對種子激光峰值功率需求10-25倍的放松。實驗中，266納米種子激光僅引入了1.8倍切片能散的能量調制，通過自放大，實現了單級HGHG在種子激光的7次諧波放大出光，兩級級聯HGHG在種子激光的30次諧波放大出光。這是目前國際上“工作諧波/激光調制”效率最高的外種子自由電子激光放大結果。該研究為兆赫茲級重復頻率的外種子自由電子激光鋪平了道路，有望為時間分辨譜學和極紫外光刻等技術帶來新的突破。

　　自放大機制在SXFEL的實驗運行，對當前及未來自由電子激光等大科學裝置的發展，具有重要的實際意義并產生深遠的影響。目前，European XFEL、LCLS-II、SHINE等超導加速器驅動的高重復頻率自由電子激光裝置正在先后建設并投入運行。自放大機制可成為連續波超導加速器驅動的下一代外種子型光源的標準模式，此外，相干能量調制的自放大機制在提升外種子自由電子激光穩定性、增強群聚因子、拓展工作波長及超快脈沖產生等方面具有重要的潛在應用前景。

　　上海應物所博士研究生顏佳偉為論文第一作者，上海高研院研究員鄧海嘯、趙振堂為論文共同通訊作者。研究工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金重點項目、中科院和上海市的支持。

相干能量調制的自放大機制原理圖