学术动态

近日，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，在高重频自由电子激光研究方面取得重要进展，提出了自由电子激光在兆赫兹级重复频率下产生全相干EUV（极紫外辐射）和X射线的新方法，并且基于深圳中能高重频X射线自由电子激光装置，完成了模拟实验。该项研究有望突破外种子自由电子激光在高重复频率下运行的关键瓶颈。

高重频外种子自由电子激光具有高通量和全相干的特性，在光谱学、相干衍射成像和纳米技术等方面具有广阔的应用前景。然而，基于外种子模式产生全相干兆赫兹级重复频率的自由电子激光目前还面临诸多挑战，其中最主要的限制因素来自于种子激光的功率。在兆赫兹级重复频率下，种子激光所能提供的峰值功率约为1兆瓦，这离外种子模式所需的峰值功率还差2-3个数量级。

图 1 自由电子激光产生全相干EUV（a）和软X射线（b）示意图

为了解决该问题，研究人员提出了一种利用自由电子激光增益原理来直接放大外部种子激光的方法。该方法仅仅将传统外种子自由电子激光方案所需的短调制段替换为长调制段，即可在实现外部种子激光放大的同时，自然地完成对电子束的调制。

基于深圳中能高重频X射线自由电子激光装置的模拟结果显示，该方法能在外部种子激光峰值功率为1兆瓦的情况下产生单个脉冲能量为77微焦的EUV辐射（在高增益高次谐波生成模式，HGHG），在外部种子激光峰值功率为0.2兆瓦的情况下产生单个脉冲能量为135微焦的软X射线辐射（在回声增强型谐波生成模式，EEHG）。同时，该方法相对于传统外种子自由电子激光方案，具有更优异的辐射稳定性。

图 2自由电子激光产生全相干EUV（a）和软X射线（b）辐射增益曲线。

随着超导技术的发展，建设兆赫兹级重复频率的自由电子激光，如深圳中能高重频X射线自由电子激光和上海高重频硬X射线自由电子激光，已经成为国际上自由电子激光领域最重要的发展方向之一。该方法对于进一步拓展全相干自由电子激光原理和开发新的实验方法有重要的意义，也为将来深圳中能高重频X射线自由电子激光的性能升级提供了一种全新的技术路线。

相关成果以“High-repetition-rate seeded free-electron laser with direct-amplification of an external coherent laser”为题，于近日发表在英国物理学会期刊New Journal of Physics上。该项研究的第一作者是我院王晓凡博士，我院张未卿研究员、中国科学院上海高等研究院冯超研究员和赵振堂研究员为论文通讯作者。 本项研究得到了国家自然科学基金、中国科学院的资助支持。 

文章链接： https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac5492

供稿 | 自由电子激光经理部

编辑 | 申晓栗