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中国科学院上海高等研究院突破高重复频率自由电子激光关键技术
2025年07月22日 11:25:13
来源：Ky开元集团 作者：宋池 点击量：458
中国科学院上海高等研究院自由电子激光团队在《物理评论快报》发表研究成果，首次实验验证了其提出的“直接放大驱动型谐波产生”（DEHG-FEL）新机制，为未来实现兆赫兹重复频率、全相干极紫外和软X射线自由电子激光光源迈出了关键一步。
中国科学院上海高等研究院自由电子激光团队近期在高重复频率全相干自由电子激光(FEL)研究领域取得重要进展。该团队在国际上首次实验验证了其自主提出的“直接放大驱动型谐波产生”(DEHG-FEL)新机制，成功实现了该机制下的出光放大和稳定运行。这一成果标志着我国在实现兆赫兹(MHz)量级重复频率的全相干极紫外(EUV)和X射线FEL光源的道路上迈出了关键一步。相关研究成果已发表于国际权威学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)，并被选为“编辑推荐”文章。
高重复频率的全相干EUV与软X射线FEL光源，对于先进的时间分辨光谱学、相干衍射成像以及纳米结构和纳米器件的超快动力学研究等前沿科学领域具有重要的应用价值。然而，传统的外种子型FEL方案通常需要峰值功率高达百兆瓦量级的紫外种子激光驱动，这极大地限制了其重复频率的提升(通常限于千赫兹量级)。
该研究团队此前已在上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)上验证了相干能量调制的自放大机制。在本项工作中，研究人员采用了新的技术路径：使用长调制段，通过高增益FEL过程对原本微弱的种子激光信号(脉冲能量仅0.75微焦)进行直接放大，获得了高功率且稳定的调制激光。经过该过程处理的电子束获得了显著的能量调制，随后在色散段形成光波长尺度的相干微聚束，最终产生了最高达12次谐波的全相干辐射输出。
实验结果显示，团队成功将7次谐波辐射放大至饱和状态，获得了约160微焦的饱和脉冲能量，能量稳定性达到5.5%。同时，通过谐波级联过程，团队还实现了16次谐波输出，其输出光谱带宽接近傅里叶转换极限，表明DEHG-FEL机制在保持优异纵向相干性方面表现突出。
DEHG技术的核心优势在于其简洁的装置配置能够有效放大极弱的种子激光信号。该技术原理上可将所需种子激光的峰值功率降低两至三个数量级(从传统方案的百兆瓦级降至兆瓦级)，同时具备稳定、可控和高次谐波输出的能力，尤其适用于高重复频率外种子型自由电子激光器的构建。
研究团队指出，该技术未来还有潜力为更复杂的双级种子方案(如回声驱动谐波产生，EEHG)提供实现高重复频率的解决方案，并有望与高次谐波产生技术(HHG)相结合，为软X射线波段的超快光谱学、成像和材料科学研究提供全新手段。
素材来源：Physical Review Letters
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