中国科学院自由電子レーザーチームは、完全コヒーレント自由電子レーザーの研究において大きな進展を遂げました。上海軟X線自由電子レーザー施設を拠点として、中国が提唱するエコー高調波カスケード自由電子レーザーの新メカニズムの検証に成功し、優れた性能を有する軟X線コヒーレント放射を実現しました。この成果は最近、「エコー対応高調波カスケード自由電子レーザーからのコヒーレントかつ超短軟X線パルス」というタイトルでOptica誌に掲載されました。
X線自由電子レーザーは、世界で最も先進的な光源の一つです。現在、国際的なX線自由電子レーザーのほとんどは、自己増幅自然放出機構（SASE）に基づいています。SASEは非常に高いピーク輝度とフェムトレベルの超短パルス幅などの優れた性能を備えていますが、SASEはノイズによって振動し、その放射パルスのコヒーレンスと安定性は高くなく、X線帯の「レーザー」ではありません。国際的な自由電子レーザー分野における最も重要な開発方向の一つは、従来のレーザー品質で完全にコヒーレントなX線放射を生成することであり、重要な方法は外部シード自由電子レーザーの動作機構を使用することです。外部シード自由電子レーザーの放射はシードレーザーの特性を継承し、完全なコヒーレンス、位相制御、外部ポンプレーザーとの正確な同期などの優れた特性を備えています。しかし、シードレーザーの波長とパルス幅の制限により、外部シード自由電子レーザーの短波長範囲とパルス長の調整範囲は制限されています。近年、外部シード自由電子レーザーの短波長範囲をさらに拡大するため、エコー高調波発生などの新しい自由電子レーザー動作モードの開発が世界中で精力的に行われています。
外部シード自由電子レーザーは、中国で高利得自由電子レーザーを開発するための主要な技術ルートの1つです。現在、中国の4つの高利得自由電子レーザー装置はすべて外部シード動作モードを採用しています。上海深紫外線自由電子レーザー施設と上海軟X線自由電子レーザー施設を拠点として、科学者は国際初となるエコー型自由電子レーザー光増幅と極端紫外線エコー型自由電子レーザー飽和増幅を相次いで達成しました。外部シード自由電子レーザーの短波長化をさらに推進するため、研究チームはエコー高調波カスケードを備えた完全コヒーレント自由電子レーザーの新しいメカニズムを独自に提案し、上海軟X線自由電子レーザー装置に基本スキームとして採用され、原理検証から軟X線帯域での光増幅までの全プロセスを完了しました。研究結果によると、従来の外部シード型駆動機構と比較して、本機構は非常に優れたスペクトル特性を有することが示されており、研究者らが独自に開発した超高速X線パルス診断技術（https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027）の採用により、この新機構のパルス長制御および超高速パルス発生における優れた性能がさらに検証されました。本研究成果は、サブナノメートル帯における完全コヒーレント自由電子レーザー生成のための実現可能な技術的ルートを提供し、X線非線形光学および超高速物理化学分野にとって理想的な研究ツールとなるでしょう。
エコー高調波カスケード自由電子レーザーは優れたスペクトル性能を持っています。左の画像は従来のカスケードモード、右の画像はエコー高調波カスケードモードです。
エコー高調波カスケードによりX線パルス長調整と超高速パルス発生を実現
投稿日時: 2023年10月8日