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中國科學院上海高等研究院突破高重復頻率自由電子激光關鍵技術
2025年07月22日 11:25:13
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點擊量：457
中國科學院上海高等研究院自由電子激光團隊在《物理評論快報》發(fā)表研究成果，首次實驗驗證了其提出的“直接放大驅動型諧波產(chǎn)生”（DEHG-FEL）新機制，為未來實現(xiàn)兆赫茲重復頻率、全相干極紫外和軟X射線自由電子激光光源邁出了關鍵一步。
中國科學院上海高等研究院自由電子激光團隊近期在高重復頻率全相干自由電子激光(FEL)研究領域取得重要進展。該團隊在國際上首次實驗驗證了其自主提出的“直接放大驅動型諧波產(chǎn)生”(DEHG-FEL)新機制，成功實現(xiàn)了該機制下的出光放大和穩(wěn)定運行。這一成果標志著我國在實現(xiàn)兆赫茲(MHz)量級重復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鍵一步。相關研究成果已發(fā)表于國際權威學術期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)，并被選為“編輯推薦”文章。
高重復頻率的全相干EUV與軟X射線FEL光源，對于先進的時間分辨光譜學、相干衍射成像以及納米結構和納米器件的超快動力學研究等前沿科學領域具有重要的應用價值。然而，傳統(tǒng)的外種子型FEL方案通常需要峰值功率高達百兆瓦量級的紫外種子激光驅動，這極大地限制了其重復頻率的提升(通常限于千赫茲量級)。
該研究團隊此前已在上海軟X射線自由電子激光裝置(SXFEL)上驗證了相干能量調制的自放大機制。在本項工作中，研究人員采用了新的技術路徑：使用長調制段，通過高增益FEL過程對原本微弱的種子激光信號(脈沖能量僅0.75微焦)進行直接放大，獲得了高功率且穩(wěn)定的調制激光。經(jīng)過該過程處理的電子束獲得了顯著的能量調制，隨后在色散段形成光波長尺度的相干微聚束，最終產(chǎn)生了最高達12次諧波的全相干輻射輸出。
實驗結果顯示，團隊成功將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)定性達到5.5%。同時，通過諧波級聯(lián)過程，團隊還實現(xiàn)了16次諧波輸出，其輸出光譜帶寬接近傅里葉轉換極限，表明DEHG-FEL機制在保持優(yōu)異縱向相干性方面表現(xiàn)突出。
DEHG技術的核心優(yōu)勢在于其簡潔的裝置配置能夠有效放大極弱的種子激光信號。該技術原理上可將所需種子激光的峰值功率降低兩至三個數(shù)量級(從傳統(tǒng)方案的百兆瓦級降至兆瓦級)，同時具備穩(wěn)定、可控和高次諧波輸出的能力，尤其適用于高重復頻率外種子型自由電子激光器的構建。
研究團隊指出，該技術未來還有潛力為更復雜的雙級種子方案(如回聲驅動諧波產(chǎn)生，EEHG)提供實現(xiàn)高重復頻率的解決方案，并有望與高次諧波產(chǎn)生技術(HHG)相結合，為軟X射線波段的超快光譜學、成像和材料科學研究提供全新手段。
素材來源：Physical Review Letters
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