学术动态

日前，深圳综合粒子设施研究院自由电子激光团队与中国科学院上海高等研究院开展合作研究，在超快自由电子激光脉冲诊断方面取得进展，创新地发展了一种基于横向偏转腔的单发自由电子激光脉冲实时在线诊断方法，并在上海软X射线自由电子激光试验装置上成功进行了实验验证，解决了当前自由电子激光脉冲诊断方法的局限性。该方法可为自由电子激光用户实时提供准确的辐射脉冲参数，同时该方法在自由电子激光性能优化和提升其稳定性方面也有重要的实际应用前景。

X射线自由电子激光已经成为了化学、生物、物理等领域不可或缺的研究手段。对于绝大多数自由电子激光用户实验而言，精确掌握逐发自由电子激光脉冲纵向特性至关重要，这直接关系到实验结果的精确度与准确性。然而，现有的脉冲特性诊断方法在普适性与稳定性上都有其局限，很难实时稳定地获得单发自由电子激光脉冲的相关特性。因此，发展一种自由电子激光脉冲单发在线诊断方法成为了开展相关自由电子激光试验的关键挑战。

为解决这一问题，研究人员结合超快自由电子激光本身的特性，通过引入局部加权多项式回归算法，提出了一种新的超快自由电子激光脉冲单发在线诊断方法。该方法利用回归算法对未发光情况的电子束相空间进行估计，能在自由电子激光装置调试及运行过程中提供稳定可靠的单发辐射脉冲纵向信息，测量的时间分辨率可以达到6fs。

图 1 单发超快自由电子激光脉冲在线重构

图 2 脉冲能量重构结果（蓝）与实验直接测量结果（红）对比

基于上海软X射线自由电子激光试验装置，科研人员对这一方法进行了实验验证，实现了自由电子激光脉冲的高精度实时诊断。利用这种方法，研究人员可以直接观测到自由电子激光脉冲在产生和放大过程中的演化规律，并可实时对自由电子激光的各项参数进行相关性分析。同时，基于这种方法，研究人员还提出并验证了一种激光-电子束相对到达时间反馈系统，大幅提升了外种子型自由电子激光辐射脉冲的稳定性。

图 3 激光-电子束相对到达时间反馈系统实验结果

近年来，越来越多的自由电子激光装置将种子型（超快）自由电子激光运行模式作为装置的基本运行模式，例如深圳中能高重频X射线自由电子激光装置和上海软X射线自由电子激光装置。该项研究所提出的方法不仅对此类装置本身的调试、运行以及深入理解自由电子激光产生和放大的物理过程有着重要的意义，也可以启发自由电子激光用户基于此高精度实时探测方法发展出新的实验手段。

相关成果以“Online single-shot characterization of ultrafast pulses from high-gain free-electron lasers”为题，于近日发表在由国家自然科学基金委员会主管、主办的期刊Fundamental Research上。该项研究的第一作者是我院曾理博士，中国科学院上海高等研究院冯超研究员和刘波研究员为论文通讯作者。 本项研究得到了科技部、国家自然科学基金、中国科学院的资助支持。 

文章链接： https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027

供稿 | 自由电子激光经理部

编辑 | 申晓栗