基于波前控制的高亮度阿秒X射线自由电子激光器

通过利用双光栅装置 (c)产生的波前旋转的激光（WFR激光）(b) 形成阿秒 X 射线脉冲的布局示意图 (a)，图片来源：Ultrafast Science。

       近年来，超快科学取得了非常大的进步，由于能量位于软X射线范围内的光子与物质的基本吸收边相对应，因而这一波段的阿秒脉冲可以研究活体生物样品和下一代半导体材料（例如金刚石和石墨烯）中的电子动力学。由于科学家们迫切需要X射线波段的强阿秒脉冲，特别是能够覆盖水窗范围的，这也促进了阿秒X射线自由电子激光器（FEL）的快速发展。产生超快脉冲的常用方法是改进型自放大自发辐射(ESASE) 技术，并且在 ESASE 的基础上又进行了许多改进，能够进一步提高峰值功率或缩短脉冲持续时间。

       由于SASE模式由电子束散粒噪声起振，并且最短脉冲持续时间最终受到滑移长度的限制，因此产生持续时间为几十阿秒的稳定且孤立的 X 射线脉冲仍然是非常具有挑战性的。为了克服这些困难，科学家们已经提出了几种基于回声谐波放大型（EEHG）的方法。然而，在目前的这些方法中，通常需要少周期的激光脉冲，这就给激光的产生和传输增加了额外的挑战。

       这项成果的作者提出了一种基于 EEHG 的简单易行的方法，可以产生波长覆盖水窗范围、持续时间为数十阿秒的强孤立 X 射线脉冲，研究人员提出方案的原理图类似于传统的 EEHG 装置。不同之处在于第二个种子激光被替换为波前旋转（WFR）的激光，通过色散元件（例如双光栅）来诱导时空耦合并控制光束的波前可以得到WFR激光，这项研究成果已经发表在《Ultrafast Science》期刊上。

电子束的能量的中间 (a) 和两侧 (b) 相空间。图片来源：Ultrafast Science。

       WFR激光器的作用是调整辐射脉冲的纵向轮廓，由于种子型FEL 对外部激光较强的敏感性，因此这种方法可以有效地抑制两侧的微聚束，同时在中间保留一个孤立的微聚束。产生的孤立阿秒脉冲与外部激光器互相同步，使其能够开展高分辨率泵浦探测实验，并且为阿秒科学提供一个新的研究方案。与以往利用少周期激光器的方法相比，该方法只需要100 fs的常规激光器，大大地放宽了对种子激光器的要求，使其在现有FEL装置的基础上更加可靠易行。这种相干X射线光源可以研究时间尺度约为100阿秒的价电子的电子动力学，并且可能在超快科学领域开辟新的研究前沿。

       消息来源：https://phys.org/news/2022-09-high-brightness-attosecond-x-ray-free.html