完全コヒーレント自由電子レーザーの研究において進展が見られた。

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た。上海軟X線自由電子レーザー施設を基盤として、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しいメカニズムが検証され、優れた性能を持つコヒーレント軟X線放射が得られた。この成果は最近、「エコー有効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パルス軟X線」というタイトルでOptica誌に掲載された。

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、放射パルスのコヒーレンスと安定性が高くなく、X線帯域の「レーザー」とは言えません。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、その重要な方法の一つが、外部シード自由電子レーザー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受け継ぎ、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調整範囲は制限されます。外部シード自由電子レーザーの短波長領域をさらに拡大するために、近年、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が世界中で精力的に開発されている。

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、中国にある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基に、科学者たち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エコー型自由電子レーザー飽和増幅を相次いで実現しました。外部シード自由電子レーザーを短波長域にさらに拡大するために、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がこれを基本スキームとして採用し、軟X線帯域で原理検証から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ランニング機構と比較して、この機構は非常に優れたスペクトル特性を有しており、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）を採用することで、パルス長制御と超高速パルス生成におけるこの新しい機構の優れた性能がさらに検証されました。関連する研究結果は、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道筋を示し、X線非線形光学および超高速物理化学の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有しています。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線パルス長の調整と超高速パルスの生成が実現できる。