Команда лазеров на свободных электронах Шанхайского института перспективных исследований Китайской академии наук добилась прогресса в исследованиях полностью когерентных лазеров на свободных электронах. На базе шанхайского мягкого рентгеновского лазера на свободных электронах успешно проверен предложенный Китаем механизм эхо-гармонического каскадного лазера на свободных электронах и получено мягкое рентгеновское когерентное излучение с отличными характеристиками. Соответствующие результаты исследований были недавно опубликованы в Optica под названием «Когерентные и сверхкороткие мягкие рентгеновские импульсы от эхо-гармонических каскадных лазеров на свободных электронах».
Рентгеновский лазер на свободных электронах является одной из самых передовых научных установок в мире. Подавляющее большинство международных рентгеновских лазеров на свободных электронах основаны на самоусиливающемся механизме спонтанного излучения (SASE), SASE имеет очень высокую пиковую яркость и фемтосекундную сверхкороткую ширину импульса и другие отличные характеристики, но SASE по шумовой вибрации, его когерентность и стабильность импульса излучения не высоки, еще не рентгеновский диапазон «лазера». Одной из важнейших международных разработок в области лазеров на свободных электронах является генерация полностью когерентного рентгеновского излучения с обычным лазерным качеством, и важным способом сделать это является использование внешнего механизма работы лазера на свободных электронах затменного типа. Излучение внешнего засеянного лазера на свободных электронах наследует характеристики затравочного лазера с отличными характеристиками, такими как полная когерентность, управление фазой и точная синхронизация с лазером с внешней накачкой. Однако коротковолновое покрытие и диапазон регулировки длины импульса внешнего засеянного лазера на свободных электронах ограничен длиной волны и шириной импульса затравочного лазера. В целях дальнейшего расширения коротковолнового покрытия лазера на свободных электронах внешнего семенного типа в последние годы активно разрабатываются новые режимы работы лазера на свободных электронах, такие как генерация эхо-гармоник.
Лазер на свободных электронах внешнего затменного типа является одним из основных технических маршрутов для разработки лазеров на свободных электронах с высоким коэффициентом усиления в Китае, и в настоящее время все четыре лазерных устройства свободных электронов с высоким коэффициентом усиления в Китае приняли режим работы внешних семян. Основываясь на Шанхайском глубоком ультрафиолетовом лазерном блоке свободных электронов и Шанхайском мягком рентгеновском лазерном блоке свободных электронов, ученые достигли первого в мире усиления излучения свободных электронов эхо-типа и первого в мире лазерного усиления насыщения свободными электронами эхо-типа в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. Для дальнейшего продвижения лазера свободных электронов внешнего затравочного типа на более короткие длины волн исследовательская группа независимо предложила новый механизм полностью когерентного лазера свободных электронов с эхо-гармоническим каскадом, который был принят в качестве основной схемы Шанхайским мягким рентгеновским лазерным устройством на свободных электронах и завершил весь процесс от доказательства принципа до мягкого рентгеновского диапазона исходящего усиления света. Результаты показывают, что этот новый механизм обладает очень превосходными спектральными свойствами по сравнению с обычным экзогенным рабочим механизмом семенного типа, который дополнительно проверяется с точки зрения контроля длины импульса и сверхбыстрой генерации импульсов с использованием собственной разработанной исследователями сверхбыстрой рентгеновской импульсной диагностической техники (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027). Превосходная производительность этого нового механизма с точки зрения контроля длины импульса и сверхбыстрой генерации импульсов была дополнительно продемонстрирована использованием сверхбыстрого рентгеновского импульсного диагностического метода, разработанного собственными силами. Результаты исследований обеспечивают практический путь для генерации полностью когерентных лазеров на свободных электронах на субнанометровых длинах волн и обеспечат идеальные исследовательские инструменты для областей рентгеновской нелинейной оптики и сверхбыстрой физикохимии.
Как итальянская установка FERMI-FEL, так и установка SwissFEL в Швейцарии в настоящее время предлагают планы по дальнейшему повышению своих радиационных характеристик с использованием этого нового механизма. Исследовательская работа была поддержана Национальной ключевой программой исследований и разработок Китая, Национальной программой отличного молодежного фонда, Национальным фондом естественных наук Китая и Шанхайской программой талантов.
Эхо-гармонический каскадный лазер на свободных электронах с отличными спектральными характеристиками: обычный каскадный режим слева, эхо-гармонический каскадный режим справа.
Эхо-гармонический каскад для регулировки длины рентгеновского импульса и генерации сверхбыстрого импульса.
