阿秒光源作為研究量子系統(tǒng)亞飛秒尺度電子動力學的關(guān)鍵工具,其發(fā)展面臨的核心挑戰(zhàn)在于如何實現(xiàn)高強度的孤立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光源,能夠產(chǎn)生超短超強的激光脈沖。增強型自放大自發(fā)輻射(ESASE,Enhanced Self-Amplified Spontaneous Emission)是FEL中產(chǎn)生超短脈沖的主流方法,它通過增強電子束的局部峰值流強來產(chǎn)生阿秒量級的超快X射線。為實現(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電子束進行調(diào)制,但這一方案的主要問題是,調(diào)制激光會在主峰旁邊產(chǎn)生多個小峰,這嚴重降低了阿秒脈沖的信噪比。
針對此問題,上海高研院光源科學中心馮超研究員團隊與上海光機所黃志遠副研究員團隊合作,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現(xiàn)高信噪比孤立阿秒FEL脈沖的產(chǎn)生。同時,該亞周期激光與阿秒FEL自然同步,將為阿秒泵浦-探測提供理想的工具。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)勢在于,通過精確選擇氣體介質(zhì)和優(yōu)化氣壓梯度,可實現(xiàn)非線性與色散特性的靈活調(diào)控?;诠伦幼詨嚎s效應(yīng),激光脈沖在波導反常色散與自相位調(diào)制的協(xié)同作用下可實現(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4 μm、脈沖能量640 μJ、脈沖長度40 fs的輸入脈沖壓縮至5.7 fs(約0.4個光周期),壓縮效果詳見圖2。


圖2 中紅外脈沖在氣壓梯度HCF中自壓縮過程的示意圖
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,最終輻射輸出高強度、高信噪比的孤立X射線脈沖,其中心波長為1 nm,脈寬約580 as,峰值功率達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)
這種高強度超短脈沖可以為諸多前沿科學研究提供全新的工具,例如,價電子動力學探測、光電發(fā)射延遲測量以及量子隧穿時間表征等。本方案的優(yōu)勢在于,HCF產(chǎn)生的超強亞周期脈沖與阿秒FEL脈沖具有自然的時間同步性,可基于XFEL大科學裝置構(gòu)建高精度的紅外激光泵浦-阿秒X射線探測實驗平臺,在超快科學領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
該研究得到了國家自然科學基金重點項目和中國科學院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃的支持。
文章鏈接:https://spj.science.org/doi/10.34133/ultrafastscience.0099