近期，中國科學(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)動型諧波產(chǎn)生”（DEHG-FEL）新機(jī)制，并成功實(shí)現(xiàn)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。

高重復(fù)頻率的全相干EUV與軟X射線FEL在先進(jìn)的時間分辨光譜學(xué)、相干衍射成像以及納米結(jié)構(gòu)和納米器件的超快動力學(xué)研究等前沿領(lǐng)域具有重要應(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)百兆瓦量級的紫外種子激光來驅(qū)動，這使得其重復(fù)頻率通常受限于千赫茲量級。

上海高研院自由電子激光團(tuán)隊(duì)此前已在上海軟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。在本項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)采用長調(diào)制段，通過高增益FEL過程對弱種子激光信號進(jìn)行直接放大，從而獲得了高功率、穩(wěn)定的調(diào)制激光。在此過程中，電子束獲得了足夠的能量調(diào)制，經(jīng)過色散段形成光波長尺度的相干微聚束，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%。通過諧波級聯(lián)過程，團(tuán)隊(duì)還成功實(shí)現(xiàn)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保持。

DEHG技術(shù)以其簡潔的裝置配置實(shí)現(xiàn)了對極弱種子激光信號的有效放大，原理上可以將種子激光功率降低兩至三個數(shù)量級，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)雜的雙級種子方案（如回聲驅(qū)動諧波產(chǎn)生，EEHG）提供實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率的解決方案。未來，該方案有望與高次諧波產(chǎn)生技術(shù)（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。

相關(guān)研究成果以First Lasing and Stable Operation of a Direct-Amplification Enabled Harmonic Generation Free-Electron Laser為題，發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，并被選為“編輯推薦”文章。

該研究得到上海軟X射線自由電子激光裝置、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計劃和上海市科技重大專項(xiàng)的支持。

論文鏈接

高重頻全相干自由電子激光研究取得進(jìn)展

通過FEL高增益過程直接將種子激光放大至高功率，同時保持種子激光的相干性

通過諧波轉(zhuǎn)換過程獲得穩(wěn)定、全相干的短波長自由電子激光輸出