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X射線自由電子激光振蕩器研究獲進展
2021年07月20日 08:36:56
來源：上海高等研究院 點擊量：7013
上海光源科學中心自由電子激光團隊在X射線自由電子激光振蕩器研究方面取得重要進展，理論提出了一種產(chǎn)生渦旋X光的方法。研究表明，僅僅通過增益失諧的調節(jié)，X射線自由電子激光振蕩器的輸出就可以從傳統(tǒng)的高斯光變?yōu)闇u旋光。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】導讀：上海光源科學中心自由電子激光團隊在X射線自由電子激光振蕩器研究方面取得重要進展，理論提出了一種產(chǎn)生渦旋X光的方法。研究表明，僅僅通過增益失諧的調節(jié)，X射線自由電子激光振蕩器的輸出就可以從傳統(tǒng)的高斯光變?yōu)闇u旋光。7月17日，相關研究成果以Generating X-rays with orbital angular momentum in a free-electron laser oscillator為題，以研究快報的形式，發(fā)表在Optica上。
渦旋光是特殊性質的光，其產(chǎn)生、調控和探測是光學領域的研究熱點。渦旋光已應用于數(shù)據(jù)傳輸、操縱微觀粒子運動和精密測量等領域。渦旋光的產(chǎn)生通常需要螺旋相位板或全息光柵等難以加工的光學器件，非常不易，尤其是X射線渦旋光的產(chǎn)生是亟待解決的關鍵問題。自由電子激光是一種基于粒子加速器的先進光源，可以產(chǎn)生高亮度，短脈沖的X射線，渦旋光與自由電子激光結合有望為光子科學提供新的機遇。當前，自由電子激光產(chǎn)生渦旋X光的方案需要螺旋波蕩器，且要工作在調制激光的高次諧波上，也不易實現(xiàn)。
為了解決這一問題，研究人員提出了一種在X射線自由電子激光振蕩器中產(chǎn)生全相干渦旋光的方法。該方法無須光學轉換元件和螺旋波蕩器，僅僅利用了增益失諧來控制高階橫向模式的增益，從而在傳統(tǒng)X射線自由電子激光振蕩器中自然地產(chǎn)生渦旋光?；谏虾Ｓ瞂射線自由電子激光裝置的模擬結果顯示，該方法能在1兆赫茲重復頻率下產(chǎn)生單個脈沖能量為100微焦的渦旋X光束。這是目前全相干渦旋X光的產(chǎn)生方案，對于進一步拓展X射線自由電子激光振蕩器研究、開發(fā)新的實驗方法有重要意義。
2008年，X射線自由電子激光振蕩器概念提出以來，上海光源中心自由電子激光團隊已在X射線自由電子激光振蕩器研究方面取得進展：提出了X射線自由電子激光振蕩器的諧波運行模式(Physical Review Letters, 108, 034802)，在該模式下，中等能量電子束團可以驅動X射線自由電子激光振蕩器，降低了對電子束能量的要求(2012年)；提出了增益光導型X射線自由電子激光振蕩器(Applied Physics Letters, 113, 061106)，在沒有聚焦元件狀態(tài)下，增益自聚焦效應可以維持X射線自由電子激光振蕩器的橫向模式，而輸出效率和穩(wěn)定性不受影響(2018年)。
研究工作得到國家自然科學基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃、中科院和上海市的支持。
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