外種子自由電子激光的主要優(yōu)勢是可以繼承種子激光的優(yōu)秀特性,具有優(yōu)異的橫向相干性、縱向相干性和波長穩(wěn)定性等。同時(shí),和任意一個(gè)信號(hào)系統(tǒng)類似,在外種子FEL的高次諧波轉(zhuǎn)換過程中,種子激光和電子束團(tuán)的微小噪聲和缺陷也會(huì)被繼承,并被進(jìn)一步放大。一般認(rèn)為,外種子FEL的輸出信噪比與其諧波轉(zhuǎn)換次數(shù)的平方成反比,即隨著諧波次數(shù)的增大,外種子FEL頻譜等性能會(huì)嚴(yán)重退化,也就是所謂的噪聲演化問題。因此,噪聲問題被認(rèn)為是限制外種子FEL向X射線擴(kuò)展的一個(gè)重要因素。
中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理所研究人員,近日在外種子FEL噪聲研究方面取得新進(jìn)展,修正揭示了外種子FEL的噪聲演化規(guī)律,相關(guān)研究成果發(fā)表在Phys. Rev. ST-AB 16(2013) 060705,Nucl. Instr. Meth. A 737(2014) 237和Nucl. Instr. Meth. A 753(2014) 56。通過引入種子激光和電子束團(tuán)之間的相對滑移,研究人員發(fā)現(xiàn),種子激光相位噪聲的放大并非簡單地遵守N平方規(guī)律,可以通過增加調(diào)制段波蕩器周期數(shù)來有效抑制,從而改善外種子FEL性能。當(dāng)種子激光為超短脈沖情況下,理論和模擬均證明,外種子FEL可以完全補(bǔ)償種子激光的相位噪聲,從而輸出縱向相干性非常優(yōu)秀的輻射脈沖。同時(shí),研究人員還系統(tǒng)地分析了不同模式外種子FEL對電子束團(tuán)噪聲的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)PEHG和EEHG兩種模式可以做到對電子束能量噪聲較小的響應(yīng)。
外種子FEL噪聲問題的研究修正了以前的理論預(yù)期,證明目前的激光技術(shù)可以非常好的滿足外種子FEL對種子激光的要求,并為全相干FEL裝置向更短波長發(fā)展提供了理論依據(jù),對建設(shè)中的大連相干光源和上海軟X射線試驗(yàn)裝置都有積極意義。本項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金委、國家科技部973項(xiàng)目和中國科學(xué)院的資助支持。
文章鏈接:
http://journals.aps.org/prstab/abstract/10.1103/PhysRevSTAB.16.060705
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900213015593
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900214002903

左圖:隨著調(diào)制段波蕩器的周期數(shù)增加,外種子FEL的噪聲放大倍數(shù)逐漸變小。右圖:電子束團(tuán)的非線性能量chirp對不同模式外種子FEL頻譜的影響,可以看出,HGHG輸出的縱向相干性明顯降低,EEHG對電子束團(tuán)能量的chirp不太敏感,而PEHG對這種電子束團(tuán)能量的不完美型天然免疫。
(上海應(yīng)用物理研究所汪蕾提供)