阿秒光源作為研究量子系統(tǒng)亞飛秒尺度電子動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵工具,其發(fā)展面臨的核心挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的孤立X射線脈沖。X射線自由電子激光(XFEL)是一種基于電子直線加速器的先進(jìn)光源,能夠產(chǎn)生超短超強(qiáng)的激光脈沖。增強(qiáng)型自放大自發(fā)輻射(ESASE,Enhanced Self-Amplified Spontaneous Emission)是FEL中產(chǎn)生超短脈沖的主流方法,它通過(guò)增強(qiáng)電子束的局部峰值流強(qiáng)來(lái)產(chǎn)生阿秒量級(jí)的超快X射線。為實(shí)現(xiàn)阿秒X射線和外部泵浦激光的精確同步,理想的方案是采用超快激光對(duì)電子束進(jìn)行調(diào)制,但這一方案的主要問(wèn)題是,調(diào)制激光會(huì)在主峰旁邊產(chǎn)生多個(gè)小峰,這嚴(yán)重降低了阿秒脈沖的信噪比。
針對(duì)此問(wèn)題,上海高研院光源科學(xué)中心馮超研究員團(tuán)隊(duì)與上海光機(jī)所黃志遠(yuǎn)副研究員團(tuán)隊(duì)合作,提出利用氣壓梯度空芯光纖(HCF,Hollow capillary fibers)卓越的寬譜傳輸能力及可調(diào)控的色散/非線性特性,將多周期中紅外激光壓縮至亞周期尺度,繼而利用該亞周期激光調(diào)制電子束獲得孤立的電流尖峰,并最終在波蕩器中實(shí)現(xiàn)高信噪比孤立阿秒FEL脈沖的產(chǎn)生。同時(shí),該亞周期激光與阿秒FEL自然同步,將為阿秒泵浦-探測(cè)提供理想的工具。相關(guān)成果以“Isolated attosecond free-electron laser based on a sub-cycle driver from hollow capillary fibers”為題,近期發(fā)表在Science合作期刊Ultrafast Science上。

圖1 方案布局示意圖
氣壓梯度HCF的核心優(yōu)勢(shì)在于,通過(guò)精確選擇氣體介質(zhì)和優(yōu)化氣壓梯度,可實(shí)現(xiàn)非線性與色散特性的靈活調(diào)控?;诠伦幼詨嚎s效應(yīng),激光脈沖在波導(dǎo)反常色散與自相位調(diào)制的協(xié)同作用下可實(shí)現(xiàn)高效壓縮。模擬結(jié)果表明,采用氣壓梯度HCF可以將中心波長(zhǎng)4 μm、脈沖能量640 μJ、脈沖長(zhǎng)度40 fs的輸入脈沖壓縮至5.7 fs(約0.4個(gè)光周期),壓縮效果詳見(jiàn)圖2。

圖2 中紅外脈沖在氣壓梯度HCF中自壓縮過(guò)程的示意圖
氣壓梯度HCF產(chǎn)生的亞周期激光與FEL中的電子束發(fā)生相互作用,使電子束產(chǎn)生近乎單周期的能量調(diào)制,進(jìn)而產(chǎn)生單尖峰的電流調(diào)制,其能量相空間分布與電流分布如圖3所示。隨后,該電子束被傳輸?shù)紽EL放大器中,最終輻射輸出高強(qiáng)度、高信噪比的孤立X射線脈沖,其中心波長(zhǎng)為1 nm,脈寬約580 as,峰值功率達(dá)30 GW。

圖3 電子束的能量相空間與電流分布(左);產(chǎn)生的孤立X射線脈沖(右)
這種高強(qiáng)度超短脈沖可以為諸多前沿科學(xué)研究提供全新的工具,例如,價(jià)電子動(dòng)力學(xué)探測(cè)、光電發(fā)射延遲測(cè)量以及量子隧穿時(shí)間表征等。本方案的優(yōu)勢(shì)在于,HCF產(chǎn)生的超強(qiáng)亞周期脈沖與阿秒FEL脈沖具有自然的時(shí)間同步性,可基于XFEL大科學(xué)裝置構(gòu)建高精度的紅外激光泵浦-阿秒X射線探測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在超快科學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的支持。
文章鏈接:https://spj.science.org/doi/10.34133/ultrafastscience.0099