中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的研究人員，在長期開展高增益自由電子激光理論與實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的外種子自由電子激光運(yùn)行機(jī)制。研究表明，這種新的運(yùn)行模式通過有效地壓縮電子束團(tuán)的局部能散，有望在X射線波段實(shí)現(xiàn)全相干自由電子激光，從而為多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域提供更為有效的研究手段，該項(xiàng)研究成果近日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Phys. Rev. Lett 111， 084801， 2013)。

作為第四代先進(jìn)光源，國際上已經(jīng)建成的X射線自由電子激光縱向相干性較差，尚不能完全滿足用戶對(duì)全相干光脈沖的需求。為了改善輻射的縱向相干性，美國科學(xué)家先后提出了高增益高次諧波放大(HGHG)和回聲高次諧波放大(EEHG)兩種外種子自由電子激光原理。

目前，基于HGHG原理的意大利FERMI自由電子激光已經(jīng)開始向用戶提供極紫外波段的全相干脈沖，EEHG原理也先后在上海應(yīng)用物理研究所和美國SLAC的自由電子激光裝置上完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 然而，傳統(tǒng)外種子自由電子激光的諧波轉(zhuǎn)換效率受到電子束團(tuán)能散的限制，一般很難直接從商用外種子激光推進(jìn)到X射線波段。

科研人員提出的外種子自由電子激光新原理(Cooled-HGHG)，采用具有橫向梯度磁場(chǎng)的波蕩器，將相對(duì)論電子的橫向和縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確耦合，把電子束局部能散進(jìn)行有效控制壓縮，原理上克服了電子束能散的限制，從而大大提升了外種子自由電子激光的高次諧波轉(zhuǎn)換效率。該新機(jī)制為全相干X射線自由電子激光裝置的建設(shè)奠定了相關(guān)理論基礎(chǔ)，并為相對(duì)論電子束的精確操控提供了一種全新的思路，在粒子加速器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金委、國家科技部"973"項(xiàng)目和中國科學(xué)院的資助支持，由中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所鄧海嘯博士和馮超博士合作完成。目前，研究人員正在積極開展后續(xù)研究，并期望在上海極紫外自由電子激光平臺(tái)(SDUV-FEL)上實(shí)施該新原理的演示實(shí)驗(yàn)。

Cooled-HGHG機(jī)制電子束相空間演化過程示意圖:不同顏色代表不同能量電子， 可見在一個(gè)種子激光波長范圍內(nèi)，中間部分電子束能散得到了壓縮。 Cooled-HGHG與兩種傳統(tǒng)外種子自由電子激光諧波轉(zhuǎn)換效率比較: Cooled-HGHG諧波轉(zhuǎn)換效率大約是EEHG的2倍，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于HGHG。