近期，中國科學(xué)院上海高等研究院自由電子激光團隊在高重復(fù)頻率全相干自由電子激光(FEL)新機制研究方面取得重要進展，首次實驗驗證了自主提出的“直接放大驅(qū)動型諧波產(chǎn)生”(Direct-Amplification Enabled Harmonic Generation Free-Electron Laser, DEHG-FEL)新機制，并成功實現(xiàn)了其出光放大和穩(wěn)定運行。這標(biāo)志著在實現(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。

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《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，并被選為“編輯推薦”(Editors' Suggestion)。中國科學(xué)院上海高等研究院的齊爭高級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百兆瓦(~100 MW)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(kHz)量級。

圖1 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

上海高研院自由電子激光團隊長期致力于高重復(fù)頻率全相干FEL研究。此前，團隊已在上海軟X射線自由電子激光裝置(SXFEL)上驗證了相干能量調(diào)制的自放大機制(Physical Review Letters, 126, 084801, 2021)。在本項工作中，研究團隊通過采用長調(diào)制段，通過高增益FEL過程對弱種子激光信號進行直接放大，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，進而產(chǎn)生了最高達12次諧波的全相干輻射輸出。團隊進一步將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)定性達到5.5%。通過諧波級聯(lián)過程，團隊還成功實現(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

DEHG技術(shù)以其簡潔的裝置配置實現(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)(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)、國家重點研發(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)域青年團隊計劃和上海市科技重大專項的資助支持。

審核編輯 黃宇