短波長渦旋光因其獨特的螺旋相位分布和軌道角動量特性，在非線性光學、超分辨顯微成像、凝聚態(tài)物理、細胞生物學等前沿科學領域具有十分重要的應用前景。然而，受限于現(xiàn)有的技術瓶頸，如何產(chǎn)生高亮度、短脈沖以及相干性好的高品質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 激光團隊在高品質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輻射波前，實現(xiàn)了X射線光束從高斯模式向渦旋模式的高效轉換。與傳統(tǒng)方法依賴螺旋波蕩器或全息元件不同，該技術無需額外對電子束進行操控或采用復雜光學器件，僅通過引入一對可調傾角的平面反射鏡，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性與更高的工程可行性。模擬結果表明，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。

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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

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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，并且解決了當前大部分光學元件無法滿足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行模式。該項研究為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，具有重要的科學意義與應用前景，它將為研究復雜電子結構、材料微觀構型以及生物分子動力學等提供全新的觀測手段。

本研究得到了國家自然科學基金重點項目、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃和中國科學院戰(zhàn)略性先導科技計劃的資助支持。

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