研究人员提出一种新的外种子自由电子激光运行机制

自由电子激光是利用自由电子为工作媒质产生的强相干辐射，是激光家族的一个新成员，由于其特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计，并且能够在大范围内连续调节，有着重要的应用前景。由于随着人们对自由激光电子的要求越来越高，并且开始提出高增益自由电子激光的要求，为了更好的满足社会发展，研究人员最新成功研发出一种新的外种子自由电子激光运行机制。

    中国科学院上海应用物理研究所的研究人员，在长期开展高增益自由电子激光理论与实验研究的基础上，提出了一种新的外种子自由电子激光运行机制。研究表明，这种新的运行模式通过有效地压缩电子束团的局部能散，有望在X射线波段实现全相干自由电子激光，从而为多个科学领域提供更为有效的研究手段，该项研究成果近日发表在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett 111, 084801, 2013）。

    作为第四代先进光源，国际上已经建成的X射线自由电子激光纵向相干性较差，尚不能完全满足用户对全相干光脉冲的需求。为了改善辐射的纵向相干性，美国科学家先后提出了高增益高次谐波放大（HGHG）和回声高次谐波放大（EEHG）两种外种子自由电子激光原理。目前，基于HGHG原理的意大利FERMI自由电子激光已经开始向用户提供极紫外波段的全相干脉冲，EEHG原理也先后在上海应用物理研究所和美国SLAC的自由电子激光装置上完成了实验验证。

    然而，传统外种子自由电子激光的谐波转换效率受到电子束团能散的限制，一般很难直接从商用外种子激光推进到X射线波段。科研人员提出的外种子自由电子激光新原理（Cooled-HGHG），采用具有横向梯度磁场的波荡器，将相对论电子的横向和纵向运动进行精确耦合，把电子束局部能散进行有效控制压缩，原理上克服了电子束能散的限制，从而大大提升了外种子自由电子激光的高次谐波转换效率。该新机制为全相干X射线自由电子激光装置的建设奠定了相关理论基础，并为相对论电子束的精确操控提供了一种全新的思路，在粒子加速器领域有着广泛的应用前景。



Cooled-HGHG机制电子束相空间演化过程示意图：不同颜色代表不同能量电子，可见在一个种子激光波长范围内，中间部分电子束能散得到了压缩。



Cooled-HGHG与两种传统外种子自由电子激光谐波转换效率比较：Cooled-HGHG谐波转换效率大约是EEHG的2倍，而远远大于HGHG。

    本项研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部“973”项目和中国科学院的资助支持，由中国科学院上海应用物理研究所邓海啸博士和冯超博士合作完成。目前，研究人员正在积极开展后续研究，并期望在上海极紫外自由电子激光平台（SDUV-FEL）上实施该新原理的演示实验。

    自由电子激光器由于具有许多一般激光器望尘莫及的优点，所以自由电子激光器问世后不久，科学家们就开始着手于研究它的应用问题。自由电子激光特别适宜于研究光与原子、分子和凝固态物质的相互作用，这类研究涉及到固体表面物理、半导体物理、超导体、凝聚态物理、化学、光谱学、非线性光学、生物学、医学、材料、能源、通信、国防和技术科学等多个方面，不仅应用领域十分广阔，并且具有巨大的应用前景。

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