中國科學(xué)院上海高等研究院自由電子激光團(tuán)隊(duì)在全相干自由電子激光研究方面取得進(jìn)展，基于上海軟X射線自由電子激光裝置成功驗(yàn)證了由我國自主提出的回聲諧波級聯(lián)自由電子激光新機(jī)制，并獲得了具有優(yōu)異性能的軟X射線相干輻射。近日，相關(guān)研究成果以Coherent and ultra-short soft X-ray pulses from echo-enabled harmonic cascade free-electron lasers為題發(fā)表在Optica上。

X射線自由電子激光是國際上最先進(jìn)的光源大科學(xué)裝置之一。目前國際上絕大部分X射線自由電子激光都是基于自放大自發(fā)輻射機(jī)制（SASE），SASE具有極高的峰值亮度和飛秒級超短脈寬等優(yōu)異性能，但SASE由噪聲起振，其輻射脈沖的相干性和穩(wěn)定性不高，還不是X射線波段的“激光”。國際自由電子激光領(lǐng)域最重要的發(fā)展方向之一就是產(chǎn)生具備常規(guī)激光品質(zhì)的全相干X射線輻射，其重要途徑就是采用外種子型自由電子激光運(yùn)行機(jī)制。外種子型自由電子激光的輻射繼承了種子激光的特性，具備全相干、相位可控和與外部泵浦激光精確同步等優(yōu)異特性。然而，受到種子激光波長和脈寬的限制，外種子型自由電子激光的短波長覆蓋范圍和脈沖長度調(diào)節(jié)范圍有限。為進(jìn)一步拓展外種子型自由電子激光的短波長覆蓋范圍，國際上近些年正在大力發(fā)展回聲諧波產(chǎn)生等新型自由電子激光運(yùn)行模式。

外種子型自由電子激光是我國發(fā)展高增益自由電子激光的主要技術(shù)路線之一，目前我國全部四臺高增益自由電子激光裝置都采用了外種子運(yùn)行模式。基于上海深紫外自由電子激光裝置和上海軟X射線自由電子激光裝置，科學(xué)家已先后實(shí)現(xiàn)了國際上首個(gè)回聲型自由電子激光出光放大和首個(gè)極紫外波段回聲型自由電子激光飽和放大。為進(jìn)一步將外種子型自由電子激光向短波長推進(jìn)，研究團(tuán)隊(duì)自主提出了回聲諧波級聯(lián)的全相干自由電子激光新機(jī)制，這一機(jī)制被上海軟X射線自由電子激光裝置作為基本方案采用，并完成了從原理驗(yàn)證到軟X射線波段出光放大的全過程。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)外種子型運(yùn)行機(jī)制相比，這一新機(jī)制具有十分優(yōu)異的光譜特性，通過采用研究人員自主發(fā)展的超快X射線脈沖診斷技術(shù)（https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027），進(jìn)一步驗(yàn)證了這一新機(jī)制在脈沖長度控制和超快脈沖產(chǎn)生方面的優(yōu)越性能。相關(guān)研究成果為產(chǎn)生亞納米波段的全相干自由電子激光提供了切實(shí)可行的技術(shù)路線，并將為X射線非線性光學(xué)和超快物理化學(xué)等領(lǐng)域提供理想的研究工具。

目前，意大利FERMI-FEL裝置和瑞士SwissFEL裝置均提出了采用這一新機(jī)制進(jìn)一步提升其輻射性能的計(jì)劃。相關(guān)研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和上海市人才計(jì)劃項(xiàng)目的支持。

回聲諧波級聯(lián)自由電子激光具有優(yōu)異的光譜性能：左圖為常規(guī)級聯(lián)模式，右圖為回聲諧波級聯(lián)模式

采用回聲諧波級聯(lián)可實(shí)現(xiàn)X射線脈沖長度調(diào)節(jié)和超快脈沖產(chǎn)生