X射線自由電子激光振蕩器研究獲進(jìn)展

與非網(wǎng)7月21日訊 上海光源科學(xué)中心自由電子激光團(tuán)隊(duì)在X射線自由電子激光振蕩器研究方面取得重要進(jìn)展，理論提出了一種產(chǎn)生渦旋X光的方法。研究表明，僅僅通過增益失諧的調(diào)節(jié)，X射線自由電子激光振蕩器的輸出就可以從傳統(tǒng)的高斯光變?yōu)闇u旋光。7月17日，相關(guān)研究成果以Generating X-rays with orbital angular momentum in a free-electron laser oscillator為題，以研究快報(bào)的形式，發(fā)表在Optica上。

渦旋光是特殊性質(zhì)的光，其產(chǎn)生、調(diào)控和探測(cè)是光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。渦旋光已應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸、操縱微觀粒子運(yùn)動(dòng)和精密測(cè)量等領(lǐng)域。渦旋光的產(chǎn)生通常需要螺旋相位板或全息光柵等難以加工的光學(xué)器件，非常不易，尤其是X射線渦旋光的產(chǎn)生是亟待解決的關(guān)鍵問題。自由電子激光是一種基于粒子加速器的先進(jìn)光源，可以產(chǎn)生高亮度，短脈沖的X射線，渦旋光與自由電子激光結(jié)合有望為光子科學(xué)提供新的機(jī)遇。當(dāng)前，自由電子激光產(chǎn)生渦旋X光的方案需要螺旋波蕩器，且要工作在調(diào)制激光的高次諧波上，也不易實(shí)現(xiàn)。

為了解決這一問題，研究人員提出了一種在X射線自由電子激光振蕩器中產(chǎn)生全相干渦旋光的方法。該方法無須光學(xué)轉(zhuǎn)換元件和螺旋波蕩器，僅僅利用了增益失諧來控制高階橫向模式的增益，從而在傳統(tǒng)X射線自由電子激光振蕩器中自然地產(chǎn)生渦旋光。基于上海硬X射線自由電子激光裝置的模擬結(jié)果顯示，該方法能在1兆赫茲重復(fù)頻率下產(chǎn)生單個(gè)脈沖能量為100微焦的渦旋X光束。這是目前全相干渦旋X光的唯一產(chǎn)生方案，對(duì)于進(jìn)一步拓展X射線自由電子激光振蕩器研究、開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)方法有重要意義。

2008年，X射線自由電子激光振蕩器概念提出以來，上海光源中心自由電子激光團(tuán)隊(duì)已在X射線自由電子激光振蕩器研究方面取得進(jìn)展：提出了X射線自由電子激光振蕩器的諧波運(yùn)行模式（Physical Review Letters, 108, 034802），在該模式下，中等能量電子束團(tuán)可以驅(qū)動(dòng)X射線自由電子激光振蕩器，降低了對(duì)電子束能量的要求（2012年）；提出了增益光導(dǎo)型X射線自由電子激光振蕩器（Applied Physics Letters, 113, 061106），在沒有聚焦元件狀態(tài)下，增益自聚焦效應(yīng)可以維持X射線自由電子激光振蕩器的橫向模式，而輸出效率和穩(wěn)定性不受影響（2018年）。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院和上海市的支持。

上海光源科學(xué)中心在生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)、能源與環(huán)境科學(xué)等多個(gè)學(xué)科前沿基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域取得了重要成果。中心致力于大科學(xué)裝置重大關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新和研發(fā)，不斷發(fā)展先進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法；依托大科學(xué)裝置，在中高能核物理、固液微觀界面動(dòng)力學(xué)、納米生物學(xué)等前沿科學(xué)領(lǐng)域開展深入研究；承擔(dān)了多項(xiàng)國家重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的建設(shè)任務(wù)，如上海光源線站工程（上海光源二期）、X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置、上海軟X射線自由電子激光用戶裝置、硬X射線自由電子激光裝置（加速器總體）等。