日前,中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所自由電子激光研究團(tuán)隊在世界上首次實現(xiàn)回聲諧波型自由電子激光受激放大的實驗成果發(fā)表在最近一期的Nature Photonics上(Z.T. Zhao et al., Nature Photonics 6, 360 (2012)),并被選為封面文章。本期同時刊登了對項目負(fù)責(zé)人趙振堂研究員的專訪,表明這一自由電子激光新原理實驗驗證方面的重要成果對當(dāng)前及未來自由電子激光的發(fā)展具有重要意義并且可能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
高增益自由電子激光作為性能優(yōu)越的第四代光源,是最近十幾年發(fā)展起來的最新一代先進(jìn)光源,其峰值亮度比第三代同步輻射光源高10個量級以上,脈沖長度短3-4個量級并具備相干性。迄今為止,高增益自由電子激光主要工作原理分為幾類,最簡單的是自放大自發(fā)輻射(Self-Amplified Spontaneous Emission,簡寫為SASE)原理,2000年在美國阿貢國家實驗室首次實現(xiàn)飽和出光(S. Milton et al., Science 292, 2037 (2001)等);第二種是高增益諧波產(chǎn)生(High Gain Harmonic Generation,簡寫為HGHG)原理,2000年左右在美國布魯克海文國家實驗室得到實驗驗證(L.H. Yu et al., Science289, 932 (2000), Phys. Rev. Lett. 91, 074801 (2003));第三種叫做直接外種子型(Direct Seeding)原理, 2008年前后由法國和日本聯(lián)合在RIKEN/SPring-8實驗室進(jìn)行了實驗驗證(G. Lambert, T. Hara et al. Nature Physics 4, 296(2008));第四種被稱為回聲諧波型(Echo-Enabled Harmonic Generation,簡寫為EEHG)原理,由美國SLAC實驗室的G. Stupakov博士于2008年提出(G. Stupakov, Phys. Rev. Lett. 102, 074801 (2009))。這一新型的自由電子激光原理的突出優(yōu)勢在于利用很小的能量調(diào)制就能產(chǎn)生很高的高次諧波微聚束,為外種子型自由電子激光擴(kuò)展到X射線波段開拓了全新的途徑,因此一經(jīng)提出便得到了國際自由電子激光界的高度關(guān)注,開展了一系列的理論研究、方案設(shè)計和實驗研究。2010年上海應(yīng)用物理研究所和SLAC實驗室分別進(jìn)行了EEHG調(diào)制機(jī)制和輻射的實驗研究(Z.T. Zhao, D. Wang, et al., Proc. FEL 2010, 15–19 (2010);D. Xiang et al., Phys. Rev. Lett. 105, 114801 (2010))。
自由電子激光新原理的成功驗證直接地導(dǎo)致了本世紀(jì)新一代大型自由電子激光科學(xué)實驗裝置的產(chǎn)生:基于SASE原理的FLASH軟X射線自由電子激光(德國DESY,2006),LCLS硬X射線自由電子激光(美國SLAC,2009)和SACLA硬X射線自由電子激光(日本RIKEN/SPring-8,2011)已分別建成,另有European XFEL(德國DESY),PAL XFEL(韓國PAL)和SwissFEL(瑞士PSI)等正在建設(shè)中;基于HGHG原理的FERMI全相干軟X射線自由電子激光(意大利ELETTRA,2011)也已建成,我國的X射線FEL試驗裝置SXFEL和大連極紫外相干光源DCLS等也正在設(shè)計和建設(shè)中。
已建成的自由電子激光用戶裝置已經(jīng)吸引了物理、化學(xué)、生物、能源、材料、環(huán)境等多個領(lǐng)域的一批世界一流科學(xué)家開展最前沿的實驗研究。可以預(yù)見,EEHG新原理的成功驗證將為未來全相干X射線自由電子激光開拓嶄新的技術(shù)路線。世界上最新設(shè)計的自由電子激光中如LCLS-II,NGLS和SwissFEL等開始討論設(shè)計基于EEHG原理的軟X射線束線,中國上海應(yīng)用物理所目前正在積極研究把這一原理首先應(yīng)用在SXFEL上,爭取早日為中國科學(xué)界提供基于全相干軟X射線光源的大型科學(xué)研究平臺。
該項工作得到了國家973計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程等項目的支持。

左圖:最新一期的《Nature Photonics》封面,展示的是回聲諧波型自由電子激光原理;
右上:SDUV首次實現(xiàn)回聲諧波型自由電子激光放大出光;右下:自由電子激光放大增益曲線
文章鏈接:
http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n6/full/nphoton.2012.105.html
專訪鏈接:
http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n6/full/nphoton.2012.118.html
(上海光源信息員汪蕾提供)