近日，中國科學院上海高等研究院、上海應用物理研究所自由電子激光團隊，在外種子自由電子激光研究方面取得重要進展，理論提出了一種相干能量調制的自放大機制，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頻率運行的關鍵問題。相關研究成果以Self-Amplification of Coherent Energy Modulation in Seeded Free-Electron Lasers為題，發表在Physical Review Letters上。

　　自由(you)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)激(ji)光(guang)(guang)利用(yong)相對論電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)(shu)產生(sheng)具(ju)有(you)很高(gao)亮(liang)度的飛秒(miao)至阿(a)秒(miao)級(ji)X射(she)線脈沖，已成為(wei)原子(zi)(zi)(zi)(zi)分子(zi)(zi)(zi)(zi)物理、材料科(ke)學和生(sheng)命科(ke)學等領(ling)域的關鍵工具(ju)。外(wai)種子(zi)(zi)(zi)(zi)自由(you)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)激(ji)光(guang)(guang)利用(yong)外(wai)部種子(zi)(zi)(zi)(zi)激(ji)光(guang)(guang)對電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)(shu)團引入相干能量調制，從而產生(sheng)高(gao)穩定性(xing)、全相干的自由(you)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)激(ji)光(guang)(guang)脈沖。然而，現有(you)運行(xing)(xing)模式對種子(zi)(zi)(zi)(zi)激(ji)光(guang)(guang)的性(xing)能需求，尤其是高(gao)峰值(zhi)功率需求，是外(wai)種子(zi)(zi)(zi)(zi)自由(you)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)激(ji)光(guang)(guang)通往高(gao)重復頻率運行(xing)(xing)的瓶頸。

　　在該(gai)工作(zuo)中(zhong)，研(yan)究(jiu)人員(yuan)提出(chu)(chu)利用電子(zi)(zi)束(shu)團的(de)(de)(de)自(zi)(zi)(zi)調制(zhi)來(lai)放(fang)(fang)大(da)(da)初(chu)始的(de)(de)(de)相干能量(liang)(liang)調制(zhi)，從(cong)而將外部種子(zi)(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)峰值(zhi)功(gong)率需求(qiu)放(fang)(fang)松(song)1-2個量(liang)(liang)級(ji)(ji)。同時(shi)，利用上(shang)(shang)海軟X射(she)線自(zi)(zi)(zi)由電子(zi)(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)裝置已經具備的(de)(de)(de)硬件(jian)條件(jian)，演示了(le)對種子(zi)(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)峰值(zhi)功(gong)率需求(qiu)10-25倍(bei)的(de)(de)(de)放(fang)(fang)松(song)。實驗中(zhong)，266納米種子(zi)(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)僅引入了(le)1.8倍(bei)切片能散的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)調制(zhi)，通過自(zi)(zi)(zi)放(fang)(fang)大(da)(da)，實現了(le)單級(ji)(ji)HGHG在種子(zi)(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)7次諧波放(fang)(fang)大(da)(da)出(chu)(chu)光(guang)(guang)(guang)(guang)，兩級(ji)(ji)級(ji)(ji)聯HGHG在種子(zi)(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)30次諧波放(fang)(fang)大(da)(da)出(chu)(chu)光(guang)(guang)(guang)(guang)。這(zhe)是目(mu)前國際(ji)上(shang)(shang)“工作(zuo)諧波/激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)調制(zhi)”效(xiao)率最高的(de)(de)(de)外種子(zi)(zi)自(zi)(zi)(zi)由電子(zi)(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)放(fang)(fang)大(da)(da)結果(guo)。該(gai)研(yan)究(jiu)為(wei)兆赫茲級(ji)(ji)重復頻率的(de)(de)(de)外種子(zi)(zi)自(zi)(zi)(zi)由電子(zi)(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)鋪平(ping)了(le)道路，有望為(wei)時(shi)間分辨譜學(xue)和極(ji)紫外光(guang)(guang)(guang)(guang)刻等技(ji)術帶(dai)來(lai)新(xin)的(de)(de)(de)突破。

　　自(zi)放(fang)大機制(zhi)在SXFEL的(de)(de)實(shi)驗運(yun)行，對當前及未來自(zi)由電子激光(guang)等(deng)(deng)大科學裝(zhuang)置(zhi)的(de)(de)發展，具有重要的(de)(de)實(shi)際意(yi)義并(bing)產(chan)生深遠的(de)(de)影響。目前，European XFEL、LCLS-II、SHINE等(deng)(deng)超導加速(su)器(qi)驅(qu)動的(de)(de)高(gao)重復(fu)頻率(lv)自(zi)由電子激光(guang)裝(zhuang)置(zhi)正(zheng)在先后建設(she)并(bing)投(tou)入運(yun)行。自(zi)放(fang)大機制(zhi)可(ke)成為連續波超導加速(su)器(qi)驅(qu)動的(de)(de)下一代外種子型光(guang)源的(de)(de)標準模式(shi)，此外，相(xiang)干能(neng)量調制(zhi)的(de)(de)自(zi)放(fang)大機制(zhi)在提升(sheng)外種子自(zi)由電子激光(guang)穩定性、增(zeng)強(qiang)群聚因子、拓展工作(zuo)波長(chang)及超快脈沖(chong)產(chan)生等(deng)(deng)方面具有重要的(de)(de)潛在應(ying)用前景(jing)。

　　上(shang)海(hai)應(ying)物所博士研(yan)(yan)究生顏佳(jia)偉為論文(wen)第一作者，上(shang)海(hai)高(gao)研(yan)(yan)院(yuan)研(yan)(yan)究員鄧(deng)海(hai)嘯、趙(zhao)振(zhen)堂為論文(wen)共(gong)同通訊作者。研(yan)(yan)究工作得到國家重點(dian)研(yan)(yan)發計劃項(xiang)目、國家自然科學基(ji)金重點(dian)項(xiang)目、中(zhong)科院(yuan)和(he)上(shang)海(hai)市的支持。

相(xiang)干能量調制(zhi)的自(zi)放大(da)機制(zhi)原(yuan)理(li)圖