Frielektronlaserteamet vid Shanghai Institute of Advanced Studies vid den kinesiska vetenskapsakademin har gjort framsteg i forskningen om helt sammanhängande frielektronlasrar. Baserat på Shanghai mjuk röntgenfrielektronlaseranordning har den nya mekanismen för eko-harmonisk kaskadfrielektronlaser som föreslagits av Kina framgångsrikt verifierats och den mjuka röntgenkonvernerade strålningen med utmärkt prestanda erhölls. De relevanta forskningsresultaten publicerades nyligen i Optica under titeln Coherent and ultra-short soft X-ray pulses from echo-enabled harmonic cascade free-electron lasers.
Röntgenfrielektronlasern är en av de mest avancerade stora vetenskapsinstallationerna för ljuskällor i världen. De allra flesta internationella röntgenfria elektronlasrar är baserade på den självförstärkande spontana strålningsmekanismen (SASE), SASE har en mycket hög toppljusstyrka och femtosekund ultrakort pulsbredd och annan utmärkt prestanda, men SASE av brusvibrationen, dess strålningspulskonherens och stabilitet är inte hög, ännu inte röntgenbandet "laser". En av de viktigaste internationella utvecklingen inom området frielektronlasrar är genereringen av helt koherent röntgenstrålning med konventionell laserkvalitet, och ett viktigt sätt att göra detta är att använda en extern frötyp frielektronlaseroperationsmekanism. Strålningen från den externa sådda frielektronlasern ärver frölaserns egenskaper, med utmärkta egenskaper som full koherens, faskontroll och exakt synkronisering med den externt pumpade lasern. Den korta våglängdstäckningen och pulslängdsjusteringsområdet för den yttre sådda frielektronlasern begränsas emellertid av frölaserns våglängd och pulsbredd. För att ytterligare utöka den korta våglängdstäckningen för den yttre frötypen frielektronlaser har nya frielektronlaseroperationslägen som eko-harmonisk generering utvecklats kraftigt internationellt de senaste åren.
Den yttre frötypen frielektronlaser är en av de viktigaste tekniska vägarna för utveckling av högförstärkningsfrielektronlasrar i Kina, och för närvarande har alla fyra högförstärkningsfrielektronlaseranordningar i Kina antagit det yttre fröoperationsläget. Baserat på Shanghai Deep Ultraviolet Free Electron Laser Unit och Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Unit har forskare uppnått världens första eko-typ frielektron laseremissionsförstärkning och den första eko-typ fri elektron lasermättnadsförstärkning i det extrema ultravioletta bandet. För att ytterligare främja den yttre frötypen frielektronlaser till kortare våglängder föreslog forskargruppen oberoende en ny mekanism för helt koherent frielektronlaser med ekoharmonisk kaskad, som antogs som det grundläggande schemat av Shanghai soft X-ray free electron laser device, och slutförde hela processen från principbeviset till det mjuka röntgenbandet utgående ljusförstärkning. Resultaten visar att denna nya mekanism har mycket överlägsna spektrala egenskaper jämfört med den konventionella exogena driftsmekanismen av frötyp, som ytterligare valideras när det gäller pulslängdskontroll och ultrasnabb pulsgenerering med hjälp av forskarnas egenutvecklade ultrasnabba röntgenpulsdiagnostikteknik (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027). Den överlägsna prestandan hos denna nya mekanism när det gäller pulslängdskontroll och ultrasnabb pulsgenerering har ytterligare demonstrerats genom användning av en ultrasnabb röntgenpulsdiagnostikteknik som utvecklats internt. Forskningsresultaten ger en praktisk väg för att generera helt koherenta frielektronlasrar vid sub-nanometervåglängder och kommer att ge idealiska forskningsverktyg för områdena röntgenolinjär optik och ultrasnabb fysikalisk kemi.
Både den italienska FERMI-FEL-installationen och SwissFEL-installationen i Schweiz föreslår för närvarande planer för att ytterligare förbättra deras strålningsprestanda med hjälp av denna nya mekanism. Forskningsarbetet stöddes av National Key Research and Development Program of China, National Excellent Youth Fund Program, National Natural Science Foundation of China och Shanghai Talent Program.
Eko-harmonisk kaskadfrielektronlaser med utmärkt spektralprestanda: konventionellt kaskadläge till vänster, eko-harmoniskt kaskadläge till höger.
Eko harmonisk kaskad för röntgenpulslängdsjustering och ultrasnabb pulsgenerering.
