Het team voor vrije-elektronenlasers van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft vooruitgang geboekt in het onderzoek naar volledig coherente vrije-elektronenlasers. Gebaseerd op de Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Facility is het door China voorgestelde nieuwe mechanisme van de echo-harmonische cascade-vrije-elektronenlaser met succes geverifieerd, en is er een coherente zachte röntgenstraling met uitstekende prestaties verkregen. Recentelijk zijn de resultaten gepubliceerd in Optica onder de titel "Coherent and ultrashort soft X-ray pulses from echo-enabled harmonic cascade free electron lasers".
De röntgenvrije-elektronenlaser is een van de meest geavanceerde lichtbronnen ter wereld. Momenteel zijn de meeste internationale röntgenvrije-elektronenlasers gebaseerd op het zelfversterkende spontane emissiemechanisme (SASE). SASE heeft een zeer hoge piekhelderheid en een ultrakorte pulsbreedte op femtoniveau, naast andere uitstekende eigenschappen. Echter, SASE is gevoelig voor trillingen en ruis, en de coherentie en stabiliteit van de stralingspuls zijn niet hoog, waardoor het geen volwaardige röntgenlaser is. Een van de belangrijkste ontwikkelingsrichtingen op het gebied van internationale vrije-elektronenlasers is het genereren van volledig coherente röntgenstraling met de kwaliteit van conventionele lasers. Een belangrijke manier om dit te bereiken is door gebruik te maken van een externe seed-vrije-elektronenlaser. De straling van een externe seed-vrije-elektronenlaser erft de eigenschappen van de seed-laser en heeft uitstekende eigenschappen zoals volledige coherentie, fasecontrole en nauwkeurige synchronisatie met de externe pomplaser. Vanwege de beperkingen van de golflengte en pulsbreedte van de seed-laser zijn het bereik van de korte golflengtebereik en de instelmogelijkheden van de pulslengte van de externe seed-vrije-elektronenlaser echter beperkt. Om het bereik van de vrije-elektronenlaser met externe zaadbron voor korte golflengten verder uit te breiden, worden de laatste jaren wereldwijd intensief nieuwe werkingsmodi voor vrije-elektronenlasers ontwikkeld, zoals echo-harmonische generatie.
Externe zaadbron-vrije-elektronenlasers vormen een van de belangrijkste technische routes voor de ontwikkeling van vrije-elektronenlasers met hoge versterking in China. Momenteel maken alle vier de vrije-elektronenlasers met hoge versterking in China gebruik van de externe zaadbron-werking. Gebaseerd op de Shanghai Deep Ultraviolet Free Electron Laser Facility en de Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Facility, hebben wetenschappers achtereenvolgens de eerste internationale echo-type vrije-elektronenlaserlichtversterking en de eerste extreem ultraviolette echo-type vrije-elektronenlaserverzadigingsversterking gerealiseerd. Om de externe zaadbron-vrije-elektronenlaser verder te ontwikkelen voor korte golflengten, heeft het onderzoeksteam onafhankelijk een nieuw mechanisme voorgesteld voor een volledig coherente vrije-elektronenlaser met echo-harmonische cascade. Dit mechanisme is als basisschema toegepast in de Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser en het gehele proces, van principeverificatie tot lichtversterking in het zachte röntgengebied, is voltooid. De onderzoeksresultaten tonen aan dat dit mechanisme, vergeleken met het traditionele externe zaadtype-aandrijfmechanisme, zeer uitstekende spectrale eigenschappen heeft. Door de toepassing van de door onderzoekers onafhankelijk ontwikkelde ultrasnelle röntgenpulsdiagnosetechnologie (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027), wordt de superieure prestatie van dit nieuwe mechanisme op het gebied van pulsduurcontrole en ultrasnelle pulsgeneratie verder bevestigd. De relevante onderzoeksresultaten bieden een haalbare technische route voor de generatie van volledig coherente vrije-elektronenlasers in het subnanometerbereik en vormen een ideaal onderzoeksinstrument voor de vakgebieden röntgen-niet-lineaire optica en ultrasnelle fysische chemie.
De echo-harmonische cascade-vrije-elektronenlaser heeft uitstekende spectrale prestaties: de linker afbeelding toont de conventionele cascademodus en de rechter afbeelding de echo-harmonische cascademodus.
Door middel van echo-harmonische cascade kunnen de pulsduur van röntgenstralen worden aangepast en ultrasnelle pulsen worden gegenereerd.
Geplaatst op: 8 oktober 2023