SPJ｜超快科学：基于波前控制的高亮度阿秒X射线自由电子激光

超快科学 ScienceAAAS

导读

时间尺度为几十阿秒的软X射线脉冲可以用于捕捉各种材料中电子的运动，对于超快物理、化学和生物学研究具有十分重要的意义。目前，基于高次谐波产生技术 (（HHG)）已经可以产生几十阿秒的超快脉冲，但是随着波长缩短到X射线范围，其高次谐波转换效率会急剧降低，导致单脉冲能量的迅速减小。自由电子激光（FEL）具有高功率、全相干、波长连续可调等优点，在X射线阿秒脉冲产生方面极具优势，目前人们已经提出了多种阿秒FEL的产生方案，部分已被实验所验证，但其脉冲长度多在百阿秒量级。

近期，中科院上海高等研究院自由电子激光团队提出了一种外种子型阿秒FEL产生的新机制，此新机制采用种子激光波前控制来操控FEL中“微聚束”的结构，进而产生全相干的X射线孤立阿秒脉冲，与传统方法相比，这种新机制可突破滑移效应的限制，所产生的阿秒脉冲长度更短、相干性更好，且与外部泵浦激光自然同步，有望为超快动力学研究提供理想的探针。

图1 方案布局示意图

引用格式

Yaozong Xiao, Chao Feng, Bo Liu, "Generating Isolated Attosecond X-Ray Pulses by Wavefront Control in a Seeded Free-Electron Laser", Ultrafast Science, vol. 2022, Article ID 9812478, 8 pages, 2022.

人们对超快、高强度X射线脉冲的需求，极大的促进了FEL的发展。为了缩短FEL的脉冲长度，研究人员提出了多种方案。近期，在美国SLAC国家加速器实验室的直线相干光源装置上，研究人员首次验证了增强型自放大自发辐射机制，产生了脉宽在百阿秒量级，峰值功率达几十GW的软X射线辐射，这一新机制采用了自调制的方式来增强电子束的局部峰值流强，其辐射相干性和稳定性还有较大提升空间，且脉冲长度也受限于FEL的滑移长度，难以达到100阿秒及以下。外种子型FEL模式可以有效地提升输出辐射的相干性和稳定性，然而，为基于外种子型FEL产生阿秒脉冲，通常需要少周期激光来操控电子束，这对种子激光的产生、控制和传输都提出了极为苛刻的要求。

图2 经过波前旋转激光的调制后y-z平面内的电子分布

针对以上问题，中国科学院上海高等研究院自由电子激光团队提出基于回声型（EEHG）FEL产生几十阿秒量级高亮度X射线脉冲的新方案。此方案采用一个波前旋转的激光（WFR激光）对电子束中微聚束结构进行操控，使得电子束中只有极小部分的电子可以形成有效的“微聚束”，再利用这部分电子产生超快的软X射线辐射。通过色散元件（例如双光栅）来诱导时空耦合并控制光束的波前可以得到WFR激光，图2给出了经过图1(b)所示WFR激光调制后，电子束在实空间中分布情况的示意图。

图3 电子束的能量相空间：(a)中间；(b)两侧

EEHG对种子激光的变化非常敏感，类似于图2的结果会很容易抹掉电子束中除了中间位置之外的“微聚束”。图3是利用WFR激光进行调制后得到的电子束相空间，可以明显的看到，相较于中间部分(a)，两侧微聚束位置处(b)的精细结构被完全抹掉了。将这样的电子束送入波荡器中进行辐射，图3(a)中的电子束就可以在“水窗”波段产生脉冲长度约为80阿秒、峰值功率在GW量级的超快光源，结果如图4所示。

图4 波荡器出口处的辐射脉冲

总结与展望

研究团队提出了一种基于外种子型FEL产生阿秒脉冲的新机制，该机制巧妙地将激光波前控制和先进的电子束操控技术相结合，大大降低了全相干软X射线阿秒FEL的实现难度。研究表明该方案可以产生几十阿秒的软X射线相干辐射，把这种阿秒光源与超快泵浦激光相结合，将为生物、化学和强场物理研究提供一种全新的工具，使以往难以开展的科学实验成为可能。

作者介绍

肖耀宗，中国科学院上海应用物理研究所博士研究生，主要从事阿秒超快自由电子激光物理及关键技术的研究。

冯超，中国科学院上海高等研究院研究员，中国科学院上海应用物理研究所博士生导师，主要从事自由电子激光物理与试验和储存环相干光源的研究，曾获得国家基金委优秀青年基金、上海市自然科学一等奖、国际自由电子激光青年科学家奖、上海市青年科技启明星、中科院上海分院杰出青年科技创新人才等奖项。

刘波，中国科学院上海高等研究院研究员，中国科学院上海应用物理研究所博士生导师，上海光源科学中心副主任，加速器物理与激光技术部主任。长期从事加速器物理与技术、自由电子激光物理与技术等领域的研究工作，先后参与北京正负电子对撞机改造工程、上海光源工程、上海软X射线自由电子激光装置、上海硬X射线自由电子激光装置等国家重大科技基础设施的建设。现任“上海软X射线自由电子激光用户装置”项目常务副经理、“活细胞结构与功能成像等线站工程”项目副经理、“上海硬X射线自由电子激光装置”项目总工程师。