Optica：X射線自由電子激光振蕩器研究獲進展

發布時間：2021-07-20 16:00 原文鏈接： Optica：X射線自由電子激光振蕩器研究獲進展

　　上海光源科學中心自由電子激光團隊在X射線自由電子激光振蕩器研究方面取得重要進展，理論提出了一種產生渦旋X光的方法。研究表明，僅僅通過增益失諧的調節，X射線自由電子激光振蕩器的輸出就可以從傳統的高斯光變為渦旋光。7月17日，相關研究成果以Generating X-rays with orbital angular momentum in a free-electron laser oscillator為題，以研究快報的形式，發表在Optica上。

　　渦旋光是特殊性質的光，其產生、調控和探測是光學領域的研究熱點。渦旋光已應用于數據傳輸、操縱微觀粒子運動和精密測量等領域。渦旋光的產生通常需要螺旋相位板或全息光柵等難以加工的光學器件，非常不易，尤其是X射線渦旋光的產生是亟待解決的關鍵問題。自由電子激光是一種基于粒子加速器的先進光源，可以產生高亮度，短脈沖的X射線，渦旋光與自由電子激光結合有望為光子科學提供新的機遇。當前，自由電子激光產生渦旋X光的方案需要螺旋波蕩器，且要工作在調制激光的高次諧波上，也不易實現。

　　為了解決這一問題，研究人員提出了一種在X射線自由電子激光振蕩器中產生全相干渦旋光的方法。該方法無須光學轉換元件和螺旋波蕩器，僅僅利用了增益失諧來控制高階橫向模式的增益，從而在傳統X射線自由電子激光振蕩器中自然地產生渦旋光。基于上海硬X射線自由電子激光裝置的模擬結果顯示，該方法能在1兆赫茲重復頻率下產生單個脈沖能量為100微焦的渦旋X光束。這是目前全相干渦旋X光的唯一產生方案，對于進一步拓展X射線自由電子激光振蕩器研究、開發新的實驗方法有重要意義。

　　2008年，X射線自由電子激光振蕩器概念提出以來，上海光源中心自由電子激光團隊已在X射線自由電子激光振蕩器研究方面取得進展：提出了X射線自由電子激光振蕩器的諧波運行模式（Physical Review Letters, 108, 034802），在該模式下，中等能量電子束團可以驅動X射線自由電子激光振蕩器，降低了對電子束能量的要求（2012年）；提出了增益光導型X射線自由電子激光振蕩器（Applied Physics Letters, 113, 061106），在沒有聚焦元件狀態下，增益自聚焦效應可以維持X射線自由電子激光振蕩器的橫向模式，而輸出效率和穩定性不受影響（2018年）。

　　研究工作得到國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃、中科院和上海市的支持。