短波長渦旋光因其獨(dú)特的螺旋相位分布和軌道角動(dòng)量特性，在非線性光學(xué)、超分辨顯微成像、凝聚態(tài)物理、細(xì)胞生物學(xué)等前沿科學(xué)領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用前景。然而，受限于現(xiàn)有的技術(shù)瓶頸，如何產(chǎn)生高亮度、短脈沖以及相干性好的高品質(zhì)X射線渦旋光，仍是亟待解決的難題。

近日，中科院上海高等研究院 自由電子 激光團(tuán)隊(duì)在高品質(zhì)X射線 渦旋光的產(chǎn)生方法上取得重要突破，提出了一種基于波前整形的全新方案。該方法通過在自由電子激光增益過程中微調(diào)輻射波前，實(shí)現(xiàn)了X射線光束從高斯模式向渦旋模式的高效轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)方法依賴螺旋波蕩器或全息元件不同，該技術(shù)無需額外對(duì)電子束進(jìn)行操控或采用復(fù)雜光學(xué)器件，僅通過引入一對(duì)可調(diào)傾角的平面反射鏡，即可在高增益自由電子激光裝置中產(chǎn)生高亮度渦旋光束，具備更好的波長可調(diào)性與更高的工程可行性。模擬結(jié)果表明，該方法可在數(shù)十吉瓦功率水平下輸出占比超過97%的高純度渦旋X射線，顯著優(yōu)于現(xiàn)有方案。

圖片:W020250527354792686901.jpg

圖片:W020250527354792928736.jpg

圖1.基于波前整形產(chǎn)生X射線渦旋自由電子激光的方案示意圖

圖片:W020250527354793172238.jpg

圖2.在自由電子激光增益過程中通過模式競爭自然形成高純度的渦旋X射線

該研究不僅提供了一種波前整形的新思路，并且解決了當(dāng)前大部分光學(xué)元件無法滿足X射線自由電子激光高功率和波長范圍局限的問題，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有X射線自由電子激光裝置和各種自由電子激光運(yùn)行模式。該項(xiàng)研究為X射線自由電子激光裝置產(chǎn)生渦旋光提供了簡單有效的新途徑，具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用前景，它將為研究復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)、材料微觀構(gòu)型以及生物分子動(dòng)力學(xué)等提供全新的觀測手段。

本研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技計(jì)劃的資助支持。

論文鏈接： https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.205001