上海光源中心實驗揭示自由電子激光的重要物理過程

自由電子激光具備超快時間分辨、超高空間分辨和超強峰值亮度,是目前最先進的研究工具之一,其出現極大地促進了生命科學、化學、物理學和材料科學等領域的發展。國際上已經先后有8X射線自由電子激光裝置建成,并投入用戶科學實驗。作為新一代光源,與同步輻射光源不同的是,自由電子激光放大來自于電磁波和相對論電子束在波蕩器磁場中持續的相互作用,其中波蕩器是一種由成千上萬的二極磁場組合成周期性正弦磁場的發光元件。 

自由電子激光的三個關鍵物理過程包括能量調制、電子束微群聚和功率放大。自由電子激光的基本物理過程是:電磁波和電子束之間相互作用導致電子束的能量調制;而能量調制會使電子束團在輻射波長尺度內形成空間密度調制,也被稱為微群聚;電子束微群聚會增強自由電子激光功率增長;而放大的自由電子激光功率又進一步增強和加快電子束微群聚的過程。這個正反饋機制是目前所有自由電子激光的物理基礎。在以往的自由電子激光裝置中,能量調制、電子束微群聚和功率放大,都是在至少積累一段波蕩器效果后才能實驗觀測到。自由電子激光在一個波蕩器周期內的物理本質,即電磁波和電子束在二極磁場中的能量交換仍然缺乏直接的測量。 


1、激光和電子束在二極磁鐵中的相互作用示意圖 

2010年,上海光源中心自由電子激光團隊提出了在單個二極磁鐵中觀測自由電子激光基本過程的實驗可行性和相關方案(Nucl. Instr. and Meth. A 622, 508)。經過多年努力,2021年,上海光源中心自由電子激光團隊通過實驗證明了激光和相對論電子束在單個二極磁鐵中的相互作用?;谏虾\?/span>X射線自由電子激光裝置,在單塊二極磁鐵中,一束266納米波長的激光被用于調制800兆電子伏特能量的電子束,下游的X波段橫向偏轉腔直接觀察到了激光對電子束相空間的調制,精確測量表明電子束能量調制的幅度為40千電子伏特。此外,實驗還進一步證明,二極磁鐵中獲得的能量調制能夠用于驅動外種子型自由電子激光,研究人員利用二極磁鐵中的能量調制、結合原創的能量調制的自放大機制(Phys. Rev. Lett., 126,084801),成功實現了種子激光的6次諧波,即44納米自由電子激光放大出光。 


2、二極磁鐵中激光-束流相互作用的實驗表征。(a) 與激光相互作用后電子束的縱向相空間。紅色虛線代表電子束的中心能量。橙色框中包含了因為相互作用而改變的區域。 (b) 在不同的激光脈沖能量下,電子束通過第一個色散段后測量到的相干輻射強度以及相應的擬合曲線。 (c) 使用相干輻射產生方法來計算能量調制幅度以及電子束團的切片能散。 

這個工作完成了探索自由電子激光物理本質的一項重要實驗測量,揭示了自由電子激光最基本的物理過程,為研究和利用激光與電子束的相互作用開辟了新的方向。實驗結果證明一塊簡單的二極磁鐵可以作為引入電子束能量調制的有效工具,這為開發新型的激光加熱系統、適用于等離子體尾波場加速器束流的能量調制、以及未來相干光源的新型波蕩器開辟了新的道路。 

相關工作以First observation of laser-beam interaction in a dipole magnet為題,2021729日以研究快報形式發表在Advanced Photonics,中國科學院上海應用物理所博士研究生顏佳偉為論文第一作者,中國科學院上海高等研究院鄧海嘯研究員、趙振堂院士為論文共同通訊作者。據悉,這是短波長自由電子激光領域重要實驗成果首次在國內期刊發表,也是Advanced Photonics發表的首篇自由電子激光領域的論文。本項研究得到了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃項目、中國科學院和上海市的資助支持。 

文章鏈接:https://doi.org/10.1117/1.AP.3.4.045003