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中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院突破高重復(fù)頻率自由電子激光關(guān)鍵技術(shù)

2025年07月22日 11:25:13 來源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點(diǎn)擊量：5283

中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院自由電子激光團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表研究成果，首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其提出的“直接放大驅(qū)動(dòng)型諧波產(chǎn)生”（DEHG-FEL）新機(jī)制，為未來實(shí)現(xiàn)兆赫茲重復(fù)頻率、全相干極紫外和軟X射線自由電子激光光源邁出了關(guān)鍵一步。

　　中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院自由電子激光團(tuán)隊(duì)近期在高重復(fù)頻率全相干自由電子激光(FEL)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其自主提出的“直接放大驅(qū)動(dòng)型諧波產(chǎn)生”(DEHG-FEL)新機(jī)制，成功實(shí)現(xiàn)了該機(jī)制下的出光放大和穩(wěn)定運(yùn)行。這一成果標(biāo)志著我國(guó)在實(shí)現(xiàn)兆赫茲(MHz)量級(jí)重復(fù)頻率的全相干極紫外(EUV)和X射線FEL光源的道路上邁出了關(guān)鍵一步。相關(guān)研究成果已發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)，并被選為“編輯推薦”文章。
 
 
　　高重復(fù)頻率的全相干EUV與軟X射線FEL光源，對(duì)于先進(jìn)的時(shí)間分辨光譜學(xué)、相干衍射成像以及納米結(jié)構(gòu)和納米器件的超快動(dòng)力學(xué)研究等前沿科學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)的外種子型FEL方案通常需要峰值功率高達(dá)百兆瓦量級(jí)的紫外種子激光驅(qū)動(dòng)，這極大地限制了其重復(fù)頻率的提升(通常限于千赫茲量級(jí))。
 
　　該研究團(tuán)隊(duì)此前已在上海軟X射線自由電子激光裝置(SXFEL)上驗(yàn)證了相干能量調(diào)制的自放大機(jī)制。在本項(xiàng)工作中，研究人員采用了新的技術(shù)路徑：使用長(zhǎng)調(diào)制段，通過高增益FEL過程對(duì)原本微弱的種子激光信號(hào)(脈沖能量?jī)H0.75微焦)進(jìn)行直接放大，獲得了高功率且穩(wěn)定的調(diào)制激光。經(jīng)過該過程處理的電子束獲得了顯著的能量調(diào)制，隨后在色散段形成光波長(zhǎng)尺度的相干微聚束，最終產(chǎn)生了最高達(dá)12次諧波的全相干輻射輸出。
 
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，團(tuán)隊(duì)成功將7次諧波輻射放大至飽和狀態(tài)，獲得了約160微焦的飽和脈沖能量，能量穩(wěn)定性達(dá)到5.5%。同時(shí)，通過諧波級(jí)聯(lián)過程，團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了16次諧波輸出，其輸出光譜帶寬接近傅里葉轉(zhuǎn)換極限，表明DEHG-FEL機(jī)制在保持優(yōu)異縱向相干性方面表現(xiàn)突出。
 
　　DEHG技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于其簡(jiǎn)潔的裝置配置能夠有效放大極弱的種子激光信號(hào)。該技術(shù)原理上可將所需種子激光的峰值功率降低兩至三個(gè)數(shù)量級(jí)(從傳統(tǒng)方案的百兆瓦級(jí)降至兆瓦級(jí))，同時(shí)具備穩(wěn)定、可控和高次諧波輸出的能力，尤其適用于高重復(fù)頻率外種子型自由電子激光器的構(gòu)建。
 
　　研究團(tuán)隊(duì)指出，該技術(shù)未來還有潛力為更復(fù)雜的雙級(jí)種子方案(如回聲驅(qū)動(dòng)諧波產(chǎn)生，EEHG)提供實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率的解決方案，并有望與高次諧波產(chǎn)生技術(shù)(HHG)相結(jié)合，為軟X射線波段的超快光譜學(xué)、成像和材料科學(xué)研究提供全新手段。
 
　　素材來源：Physical Review Letters
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