X射线自由电子激光 | 激光领域最新进展(3)

2.3 外种子型FEL [原创文章：www.11jj.com]

彻底改善高增益FEL 全相干性能的有效途径是引入常规激光作为种子激光与电子束相互作用，我们将这一类FEL 运行机制统称作外种子型。其特点是输出辐射继承了种子激光的特性，即具有很好的相干性及稳定性。最简单的外种子型运行机制是外种子直接驱动型(direct-seeding)FEL，其原理是将常规激光与电子束同时注入波荡器，当满足共振关系时，种子激光将与电子束相互作用并被不断放大直至饱和输出。 [原文来自：www.11jj.com]

外种子直接驱动型FEL 结构简单，输出辐射品质好，但波长受到种子激光波长的限制。若要得到输出波长在200 nm以下的辐射，只能采用高次谐波产生(high-harmonic generation，简称HHG)作为初始的种子光，，但HHG技术目前尚不成熟，所以direct seeding 型FEL 并未得到很大的发展。在随后的研究中人们发现当电子束中包含微聚束时，它的群聚因子将自然地含有高次谐波分量，若采用种子激光与电子束在波荡器中的相互作用来形成电子束群聚，之后再连接一个共振在种子激光高次谐波上的波荡器来放大高次谐波辐射，则可以有效地将辐射波长向短波长方向推进，人们将这一运行机制称为谐波放大器。之后基于这一运行机制又提出了高增益高次谐波产生的种子型FEL 原理(high-gain harmonic generation，简称HGHG)，如图3(c)所示。HGHG机制的提出大大拓展了外种子驱动型FEL光谱的覆盖范围，是向短波长推进的有效手段，但由于受到电子束能散的限制，单级HGHG的谐波转换次数一般为10 次左右，较适合用于产生真空紫外波段的FEL。为将HGHG 进一步向X 射线波段推进，人们又提出了级联HGHG]和回声谐波产生(echo-enabled harmonic generation，简称EEHG)运行机制，并进行了实验验证。然而，在产生超高次谐波时这些运行模式仍面临着电子束品质退化或初始噪声放大的问题，对于这些问题，都需要进行进一步的理论和实验研究。目前国际上多个FEL装置都先后开展了回声型FEL的实验研究工作，并于近期成功实现了软X射线波段回声型FEL的出光和放大。

3 自由电子激光发展历史与现状