中國科學(xué)院上海高等研究院自由電子激光團隊在全相干自由電子激光研究方面取得進展，基于上海軟X射線自由電子激光裝置成功驗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行機制。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行模式?；谏虾Ｉ钭贤庾杂呻娮蛹す庋b置和上海軟X射線自由電子激光裝置，科學(xué)家已先后實現(xiàn)了國際上首個回聲型自由電子激光出光放大和首個極紫外波段回聲型自由電子激光飽和放大。為進一步將外種子型自由電子激光向短波長推進，研究團隊自主提出了回聲諧波級聯(lián)的全相干自由電子激光新機制，這一機制被上海軟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)外種子型運行機制相比，這一新機制具有十分優(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），進一步驗證了這一新機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制進一步提升其輻射性能的計劃。相關(guān)研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家優(yōu)秀青年基金項目、國家自然科學(xué)基金面上項目和上海市人才計劃項目的支持。

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)可實現(xiàn)X射線脈沖長度調(diào)節(jié)和超快脈沖產(chǎn)生