上海高研院在高重频全相干自由电子激光研究方面取得重要进展

近期，中国科学院上海高等研究院自由电子激光团队在高重复频率全相干自由电子激光(FEL)新机制研究方面取得重要进展，首次实验验证了自主提出的“直接放大驱动型谐波产生”(Direct-Amplification Enabled Harmonic Generation Free-Electron Laser, DEHG-FEL)新机制，并成功实现了其出光放大和稳定运行。这标志着在实现兆赫兹(MHz)量级重复频率的全相干极紫外(EUV)和X射线FEL光源的道路上，迈出了关键一步。

相关成果以“First Lasing and Stable Operation of a Direct-Amplification Enabled Harmonic Generation Free-Electron Laser”为题发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)上，并被选为“编辑推荐”(Editors' Suggestion)。中国科学院上海高等研究院的齐争高级工程师和上海科技大学与上海高等研究院联合培养的博士研究生刘俊昊为论文共同第一作者，上海高等研究院的冯超研究员和赵振堂院士为论文通讯作者 。

高重复频率的全相干EUV与软X射线FEL在先进的时间分辨光谱学、相干衍射成像以及纳米结构和纳米器件的超快动力学研究等前沿领域具有重大的应用前景 。然而，传统的外种子型FEL方案通常需要峰值功率高达百兆瓦(~100 MW)量级的紫外种子激光来驱动，这使得其重复频率通常受限于千赫兹(kHz)量级。

图1 通过FEL高增益过程直接将种子激光放大至高功率，同时保持种子激光的相干性

上海高研院自由电子激光团队长期致力于高重复频率全相干FEL研究。此前，团队已在上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)上验证了相干能量调制的自放大机制(Physical Review Letters, 126, 084801, 2021)。在本项工作中，研究团队通过采用长调制段，通过高增益FEL过程对弱种子激光信号进行直接放大，从而获得了高功率、稳定的调制激光(图1)。在此过程中，电子束获得了足够的能量调制，经过色散段形成光波长尺度的相干微聚束，进而产生了最高达12次谐波的全相干辐射输出。团队进一步将7次谐波放大至饱和，获得了约160微焦的饱和脉冲能量，能量稳定性达到5.5%。通过谐波级联过程，团队还成功实现了16次谐波输出，输出光谱带宽接近傅里叶转换极限，这表明DEHG-FEL在纵向相干性方面得到了良好的保持(图2)。

图2 通过谐波转换过程获得稳定、全相干的短波长自由电子激光输出

DEHG技术以其简洁的装置配置实现了对极弱种子激光信号的有效放大，原理上可以将种子激光功率降低两至三个数量级，并具备稳定、可控、高次谐波输出的能力，特别适合于高重复频率外种子型自由电子激光。此外，它还有潜力为更复杂的双级种子方案(如回声驱动谐波产生，EEHG)提供实现高重复频率的解决方案。未来，该方案有望与高次谐波产生技术(high-order harmonic generation，HHG)相结合，为软X射线波段的超快光谱学、成像和材料科学研究提供全新手段。

本研究得到了上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划和上海市科技重大专项的资助支持。

审核编辑 黄宇