X射线自由电子激光 | 激光领域最新进展(5)

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图5 国际上的X射线FEL装置及规模 [转载出处：www.11jj.com]

4 X 射线自由电子激光的新发展

当今高增益FEL 主要朝全相干、超短脉冲、极化控制、以及其他满足用户特定需求的灵活运行模式等方向发展。每一个发展方向同时又对应着一个新的应用领域拓展。

(1)全相干。SASE 已经具有很好的横向相干性，但纵向相干性较差，表现为在时间和光谱分布上存在毛刺结构。目前改善X射线FEL 纵向相干性的技术路线主要包括自种子运行机制、外种子运行机制以及X射线FEL振荡器等。

(2)超短脉冲。X 射线FEL超短强脉冲可以单独使用，也可以与台式激光器或第三代同步辐射光的光脉冲组成新一代的时间分辨“泵浦—探测”实验工具。在这些实验中，X射线FEL光脉冲能有效地用作原子、分子和纳米物质状态演变时瞬态过程中冻结画面照像术的频闪闪光，并将使动力学和瞬态过程的研究进入到亚皮秒至阿秒区的时间精度。未来X 射线FEL 的重要发展方向之一是如何进一步缩短FEL 的脉冲长度至亚飞秒和阿秒量级，同时进一步提高超短脉冲的辐射功率。目前国际上产生超短FEL脉冲的主要方案包括基于增强型SASE、锁模、发射度破坏技术和啁啾脉冲放大技术等。

(3)极化控制。X射线FEL 的偏振特性可以用EPU 波荡器来实现调节。然而，短波长FEL 中，只有意大利的FERMI采用全部EPU波荡器，目前已经向用户提供波长100—4 nm范围、脉冲能量10 μJ 左右、偏振性可控的FEL脉冲，并且在原子光电离的二色效应、反铁磁材料的相干成像等方面取得了一系列的研究成果。对于其他已运行、包括在建和计划建造的短波长FEL，如何在平面型波荡器的基础上，控制FEL 偏振特性，是近年来的一个重要课题。

(4)灵活运行模式。在泵浦—探测实验中，若两束激光波长相同，则可以对物质的某一特定的激发态进行激发和测量。然而，在更多的情况下，需要研究包含多个激发态的动力学系统，这时候我们需要泵浦和探测光的光子能量有所区别，且可以相互独立地调谐。双色/多色FEL 是近年来在高增益FEL 领域迅速发展起来的一种前沿技术，其原理是采用一些新型的FEL运行机制，使得同一团电子束在波荡器中可以连续发射出两个具有不同光子能量的超短辐射脉冲，且两个脉冲的时间延迟和中心波长都可以连续、独立地调谐。由于两束脉冲由同一团电子束发出，因而它们之间不存在相对的时间抖动，相对时间间隔调节的精度可达阿秒量级。这种新型双色运行模式的出现大大拓展了FEL 的应用范围，使得采用FEL 研究一些原子内层电子能级的超快基本化学反应与超快相变过程成为了可能。

5 中国X射线自由电子激光的发展现状

我国的自由电子激光研究工作起步于20 世纪80 年代，中国科学院上海光学精密机械研究所(简称上海光机所)和中国科学技术大学等单位率先在国内开展了自由电子激光实验工作，1985 年上海光机所率先实现了拉曼型FEL的出光。在国家“863”等项目支持下，中国科学院高能物理研究所成功研制了北京FEL装置(BFEL)，于1993年在亚洲率先实现了红外饱和出光，性能达到当时国际先进水平。1994 年，中国工程物理研究院曙光一号自由电子激光装置SG-1利用感应型加速器实现了8 mm FEL放大器出光，峰值功率140 MW。中国工程物理研究院的振荡器型FEL也于2005 年在远红外波段实现了出光。此外，中国科学技术大学利用合肥同步辐射储存环，还进行了光学速调管和谐波超辐射FEL 机制的相关研究。

我国高增益自由电子激光于1990 年代末开始发展，在中国科学院、科技部和国家基金委的支持下，2009 年上海应用物理研究所建成了我国首个高增益自由电子激光综合研究..——上海深紫外自由电子激光(SDUV-FEL)，并于2010 年12 月中旬在HGHG模式下成功达到饱和，使得我国成为继美国之后世界上第二个实现HGHG-FEL放大和饱和的国家。2011 年4 月，SDUV-FEL 成功实现了世界上首个EEHG 的出光放大，还在世界上首次成功实现了两级级联HGHG的相干辐射输出。在新原理探索方面，上海应用物理研究所自由电子激光团队还提出了级联EEHG以及相位汇聚高次谐波产生运行机制PEHG等新型FEL 工作模式。之后， 基于HGHG 模式的中国科学院大连化学物理研究所的大连相干光源于2013年动工、2016 年建成出光，2017 年开始进行用户实验。

中国的软X射线自由电子激光装置(SXFEL)经历了长时间的酝酿和论证，SXFEL试验装置和用户装置分别于2014 年12 月和2016 年11 月动工建设，其基本布局如图6，7 所示。SXFEL试验装置由主加速器提供840 MeV的电子束，通过两级分别由调制段与辐射段构成波荡器系统，运行在种子型HGHG级联和EEHG-HGHG级联工作模式，目标是最终产生种子激光的30 次谐波辐射，得到中心波长为8.8 nm 的全相干软X 射线FEL脉冲。SXFEL用户装置将进一步升级电子束能量至1.5 GeV，并增加一条SASE 波荡器线和5个实验站，最终将为用户提供一个高水平的“水窗”波段高亮度FEL实验..。SXFEL试验装置于2017 年完成主要设备安装并实现了第一级2至6次谐波的HGHG出光放大，2018 年开展了高次谐波EEHG的调试实验，获得了30 次谐波的相干辐射信号并实现了11 次谐波(~24 nm)的出光放大。目前，SXFEL 用户装置的建设已全面展开，将于2018 年底开始设备安装，预计在2019年底开始用户实验。