近日，中國科學(xué)院上海高等研究院、上海應(yīng)用物理研究所自由電子激光團(tuán)隊，在外種子自由電子激光研究方面取得重要進(jìn)展，理論提出了一種相干能量調(diào)制的自放大機(jī)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(jī)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(fù)頻率運(yùn)行的關(guān)鍵問題。相關(guān)研究成果以Self-Amplification of Coherent Energy Modulation in Seeded Free-Electron Lasers為題，發(fā)表在Physical Review Letters上。

自由電子激光利用相對論電子束產(chǎn)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(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域的關(guān)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(tuán)引入相干能量調(diào)制，從而產(chǎn)生高穩(wěn)定性、全相干的自由電子激光脈沖。然而，現(xiàn)有運(yùn)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(fù)頻率運(yùn)行的瓶頸。

在該工作中，研究人員提出利用電子束團(tuán)的自調(diào)制來放大初始的相干能量調(diào)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(jīng)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(diào)制，通過自放大，實現(xiàn)了單級HGHG在種子激光的7次諧波放大出光，兩級級聯(lián)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(diào)制”效率最高的外種子自由電子激光放大結(jié)果。該研究為兆赫茲級重復(fù)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(xué)和極紫外光刻等技術(shù)帶來新的突破。

相干能量調(diào)制的自放大機(jī)制原理圖

自放大機(jī)制在SXFEL的實驗運(yùn)行，對當(dāng)前及未來自由電子激光等大科學(xué)裝置的發(fā)展，具有重要的實際意義并產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。目前，European XFEL、LCLS-II、SHINE等超導(dǎo)加速器驅(qū)動的高重復(fù)頻率自由電子激光裝置正在先后建設(shè)并投入運(yùn)行。自放大機(jī)制可成為連續(xù)波超導(dǎo)加速器驅(qū)動的下一代外種子型光源的標(biāo)準(zhǔn)模式，此外，相干能量調(diào)制的自放大機(jī)制在提升外種子自由電子激光穩(wěn)定性、增強(qiáng)群聚因子、拓展工作波長及超快脈沖產(chǎn)生等方面具有重要的潛在應(yīng)用前景。

上海應(yīng)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(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、中科院和上海市的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.084801