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为满足先进的科学实验需求,双色自由电子激光(FEL)成为了国际上高增益自由电子激光研究发展的前沿方向。
近些年来,回声增强高次谐波产生(EEHG)、这一全相干FEL新运行机制发展迅速,该机制可以有效提高外种子FEL 的高次谐波转换效率,在正常能量调整深度条件下,可以产生种子激光波长的几十次谐波的微聚束,进而有可能利用单级 EEHG、通过常规的紫外波段的种子激光,产生软 X 射线波段的全相干FEL。
上海软 X 射线自由电子激光装置(SXFEL)是我国第一台X射线自由电子激光装置,EEHG也是SXFEL的基本运行模式之一。在这些背景下,我们在SXFEL装置上开展了基于EEHG模式的全相干软 X 射线双色FEL研究。
本研究课题提出了在 SXFEL 装置上、基于 EEHG产生双色 FEL 的新方案,利用双色双脉冲的种子激光系统,采用 EEHG 运行模式,产生软 X 射线波段的全相干双色 FEL,基本布局如图1中所示。在该方案中,由于所用种子激光包含两个中心波长不同的脉冲,因此最终通过EEHG产生的也是两个中心波长不同的软X射线FEL脉冲,也即产生了双色FEL。
图1 双色FEL方案基本布局
双色双脉冲种子激光是该方案的关键核心技术之一,其设计如下图2所示,基本方案是将 800 nm 常规激光分到两路三倍频系统,通过调节两路三倍频中 BBO 晶体的角度来独立调节输出紫外激光的中心波长,并且在一路三倍频系统中加入可调的时间延迟机构,之后将两路紫外激光合束,得到实验所需的双色双脉冲种子激光。
图2 双色双脉冲种子激光系统
研究团队首先搭建了该种子激光系统,测试了两路三倍频产生紫外激光脉冲的能力,给出了三倍频的转换效率,同时测试了种子激光的中心波长如图3(a)中所示,得到了中心波长分别为 264.85 nm 和 266.28 nm的双色种子激光,在图3(b)中还展示了双脉冲种子激光的时间延迟,采用互相关法测量了双脉冲激光的脉宽以及时间间隔,单个紫外激光的脉冲宽度均为 170 fs,两个脉冲之间的时间间隔约为2 ps,通过调节光契角对,可以在 0-1 ps 之间连续改变两束紫外光的时间间隔。
图3 双色双脉冲种子激光光谱(a)与脉冲时间延迟(b)测试结果
最后,根据 SXFEL 装置的实际束流参数,利用该双色双脉冲种子激光,进行了三维的 FEL 数值模拟,模拟结果表明,最终可以获得中心波长分别为 5.884 nm 和 5.894 nm、峰值功率约 300 MW的全相干软 X 射线双色 FEL 辐射脉冲,如图4中所示。
图4 全相干软X射线双色FEL功率(a)和光谱(b)
[来源: 爱光学]
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