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

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