中國科學(xué)院上海高等研究院自由電子激光團(tuán)隊(duì)在超快自由電子激光脈沖診斷研究方面取得了進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了基于自參考干涉光譜對超快自由電子激光脈沖進(jìn)行單發(fā)診斷的新方法，為破解阿秒自由電子激光高精度實(shí)時(shí)診斷的難題提供了全新思路。相關(guān)研究成果以Self-Referenced Spectral Interferometry for Single-Shot Characterization of Ultrashort Free-Electron Laser Pulses為題，發(fā)表在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。

探索微觀世界物質(zhì)轉(zhuǎn)化的基本過程，如光電發(fā)射延遲、價(jià)電子的運(yùn)動、電荷的轉(zhuǎn)移等，亟需具有阿秒（10-18秒）級時(shí)間分辨能力的先進(jìn)光源。阿秒光源可以用來觀察和操控原子和分子內(nèi)部的電子運(yùn)動，這有助于科學(xué)家更深入地探討化學(xué)反應(yīng)、電子結(jié)構(gòu)和分子動力學(xué)，對于材料科學(xué)和化學(xué)研究具有重要意義。近年來，X射線自由電子激光物理和技術(shù)取得了重要突破，已能夠產(chǎn)生具有極高峰值亮度的阿秒X射線脈沖，有望為阿秒科學(xué)研究提供革命性的工具。除了阿秒脈沖的產(chǎn)生，阿秒X射線自由電子激光的完整時(shí)域-頻域信息診斷對于超快科學(xué)實(shí)驗(yàn)同樣重要，而如何對這些信息進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)診斷成為限制阿秒X射線自由電子激光應(yīng)用的瓶頸。針對這一問題，該團(tuán)隊(duì)基于我國自由電子激光大科學(xué)裝置開展了系統(tǒng)的研究工作。

方案布局及阿秒脈沖X射線自由電子激光脈沖的時(shí)域-頻域重構(gòu)方法

近年來，直接電場重建的光譜相位干涉測量法（SPIDER）成為超快激光領(lǐng)域快速發(fā)展的脈沖重構(gòu)方法之一。該方法的關(guān)鍵是產(chǎn)生一對具有適當(dāng)光譜剪切量的復(fù)制脈沖。這個(gè)過程一般需要使用非線性晶體材料，使得該方法向短波長拓展頗為困難。本研究創(chuàng)新性地提出了利用自由電子激光的頻率牽引效應(yīng)來產(chǎn)生光譜剪切量，且超快輻射脈沖和參考脈沖均由同一個(gè)電子束產(chǎn)生，從而巧妙地實(shí)現(xiàn)了輻射脈沖的自參考頻譜干涉；通過運(yùn)用小波變換算法以改進(jìn)SPIDER，可進(jìn)一步提高重構(gòu)的信噪比和效率，同時(shí)，利用上海軟X射線自由電子激光裝置的參數(shù)，展示了采用這一方法可以準(zhǔn)確地對阿秒X射線脈沖的完整時(shí)域-頻域信息進(jìn)行重構(gòu)（重構(gòu)誤差小于6%）。與傳統(tǒng)自由電子激光裝置中的超快脈沖診斷方法相比，這一方法具有設(shè)備簡單、診斷效率高（實(shí)時(shí)、單發(fā)）、可同時(shí)獲得完整的時(shí)域-頻域信息以及輻射脈沖越短診斷精度越高等優(yōu)點(diǎn)，為超快X射線自由電子激光的調(diào)試優(yōu)化以及未來基于X射線自由電子激光的阿秒科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了全新的診斷手段。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金和上海市青年科技啟明星計(jì)劃等的支持。