上海应用物理研究所首次实现回声谐波型自由电子激光受激放大

日前，中国科学院上海应用物理研究所自由电子激光研究团队在世界上首次实现回声谐波型自由电子激光受激放大的实验成果发表在最近一期的Nature Photonics上(Z.T. Zhao et al., Nature Photonics 6, 360 (2012))，并被选为封面文章。本期同时刊登了对项目负责人赵振堂研究员的专访，表明这一自由电子激光新原理实验验证方面的重要成果对当前及未来自由电子激光的发展具有重要意义并且可能产生深远的影响。

高增益自由电子激光作为性能优越的第四代光源，是最近十几年发展起来的最新一代先进光源，其峰值亮度比第三代同步辐射光源高10个量级以上，脉冲长度短3-4个量级并具备相干性。迄今为止，高增益自由电子激光主要工作原理分为几类，最简单的是自放大自发辐射（Self-Amplified Spontaneous Emission，简写为SASE）原理，2000年在美国阿贡国家实验室首次实现饱和出光（S. Milton et al., Science 292, 2037 (2001)等）；第二种是高增益谐波产生（High Gain Harmonic Generation，简写为HGHG）原理，2000年左右在美国布鲁克海文国家实验室得到实验验证(L.H. Yu et al., Science289, 932 (2000), Phys. Rev. Lett. 91, 074801 (2003))；第三种叫做直接外种子型（Direct Seeding）原理， 2008年前后由法国和日本联合在RIKEN/SPring-8实验室进行了实验验证（G. Lambert, T. Hara et al. Nature Physics 4, 296(2008)）；第四种被称为回声谐波型（Echo-Enabled Harmonic Generation，简写为EEHG）原理，由美国SLAC实验室的G. Stupakov博士于2008年提出(G. Stupakov, Phys. Rev. Lett. 102, 074801 (2009))。这一新型的自由电子激光原理的突出优势在于利用很小的能量调制就能产生很高的高次谐波微聚束，为外种子型自由电子激光扩展到X射线波段开拓了全新的途径，因此一经提出便得到了国际自由电子激光界的高度关注，开展了一系列的理论研究、方案设计和实验研究。2010年上海应用物理研究所和SLAC实验室分别进行了EEHG调制机制和辐射的实验研究（Z.T. Zhao, D. Wang, et al., Proc. FEL 2010, 15–19 (2010)；D. Xiang et al., Phys. Rev. Lett. 105, 114801 (2010)）。

自由电子激光新原理的成功验证直接地导致了本世纪新一代大型自由电子激光科学实验装置的产生：基于SASE原理的FLASH软X射线自由电子激光（德国DESY，2006），LCLS硬X射线自由电子激光（美国SLAC，2009）和SACLA硬X射线自由电子激光（日本RIKEN/SPring-8，2011）已分别建成，另有European XFEL（德国DESY），PAL XFEL（韩国PAL）和SwissFEL（瑞士PSI）等正在建设中；基于HGHG原理的FERMI全相干软X射线自由电子激光（意大利ELETTRA，2011）也已建成，我国的X射线FEL试验装置SXFEL和大连极紫外相干光源DCLS等也正在设计和建设中。

已建成的自由电子激光用户装置已经吸引了物理、化学、生物、能源、材料、环境等多个领域的一批世界一流科学家开展最前沿的实验研究。可以预见，EEHG新原理的成功验证将为未来全相干X射线自由电子激光开拓崭新的技术路线。世界上最新设计的自由电子激光中如LCLS-II，NGLS和SwissFEL等开始讨论设计基于EEHG原理的软X射线束线，中国上海应用物理所目前正在积极研究把这一原理首先应用在SXFEL上，争取早日为中国科学界提供基于全相干软X射线光源的大型科学研究平台。

该项工作得到了国家973计划、国家自然科学基金、中国科学院知识创新工程等项目的支持。

文章链接：
http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n6/full/nphoton.2012.105.html

专访链接：
http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n6/full/nphoton.2012.118.html