近期，中國科學院上海高等研究院自由電子激光團隊在高重復頻率全相干自由電子激光(FEL)新機制研究方面取得重要進展，首次實驗驗證了自主提出的“直接放大驅動型諧波產生”(Direct-Amplification Enabled Harmonic Generation Free-Electron Laser, DEHG-FEL)新機制，并成功實現了其出光放大和穩定運行。這標志著在實現兆赫茲(MHz)量級重復頻率的全相干極紫外(EUV)和X射線FEL光源的道路上，邁出了關鍵一步。

相關成果以“First Lasing and Stable Operation of a Direct-Amplification Enabled Harmonic Generation Free-Electron Laser”為題發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，并被選為“編輯推薦”(Editors' Suggestion)。中國科學院上海高等研究院的齊爭高級工程師和上海科技大學與上海高等研究院聯合培養的博士研究生劉俊昊為論文共同第一作者，上海高等研究院的馮超研究員和趙振堂院士為論文通訊作者 。

高重復頻率的全相干EUV與軟X射線FEL在先進的時間分辨光譜學、相干衍射成像以及納米結構和納米器件的超快動力學研究等前沿領域具有重大的應用前景 。然而，傳統的外種子型FEL方案通常需要峰值功率高達百兆瓦(~100 MW)量級的紫外種子激光來驅動，這使得其重復頻率通常受限于千赫茲(kHz)量級。

圖1 通過FEL高增益過程直接將種子激光放大至高功率，同時保持種子激光的相干性

上海高研院自由電子激光團隊長期致力于高重復頻率全相干FEL研究。此前，團隊已在上海軟X射線自由電子激光裝置(SXFEL)上驗證了相干能量調制的自放大機制(Physical Review Letters, 126, 084801, 2021)。在本項工作中，研究團隊通過采用長調制段，通過高增益FEL過程對弱種子激光信號進行直接放大，從而獲得了高功率、穩定的調制激光(圖1)。在此過程中，電子束獲得了足夠的能量調制，經過色散段形成光波長尺度的相干微聚束，進而產生了最高達12次諧波的全相干輻射輸出。團隊進一步將7次諧波放大至飽和，獲得了約160微焦的飽和脈沖能量，能量穩定性達到5.5%。通過諧波級聯過程，團隊還成功實現了16次諧波輸出，輸出光譜帶寬接近傅里葉轉換極限，這表明DEHG-FEL在縱向相干性方面得到了良好的保持(圖2)。

圖2 通過諧波轉換過程獲得穩定、全相干的短波長自由電子激光輸出

DEHG技術以其簡潔的裝置配置實現了對極弱種子激光信號的有效放大，原理上可以將種子激光功率降低兩至三個數量級，并具備穩定、可控、高次諧波輸出的能力，特別適合于高重復頻率外種子型自由電子激光。此外，它還有潛力為更復雜的雙級種子方案(如回聲驅動諧波產生，EEHG)提供實現高重復頻率的解決方案。未來，該方案有望與高次諧波產生技術(high-order harmonic generation，HHG)相結合，為軟X射線波段的超快光譜學、成像和材料科學研究提供全新手段。

本研究得到了上海軟X射線自由電子激光裝置(SXFEL)、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃和上海市科技重大專項的資助支持。

審核編輯 黃宇