Достигнут прогресс в изучении полностью когерентных лазеров на свободных электронах.

Группа исследователей лазеров на свободных электронах Китайской академии наук добилась прогресса в исследовании полностью когерентных лазеров на свободных электронах. На основе Шанхайской установки для получения мягкого рентгеновского излучения на свободных электронах был успешно подтвержден предложенный Китаем механизм эхо-гармонического каскадного лазера на свободных электронах, и получено когерентное излучение мягкого рентгеновского излучения с превосходными характеристиками. Недавно результаты были опубликованы в журнале Optica под названием «Когерентные и сверхкороткие импульсы мягкого рентгеновского излучения от эхо-генерируемых гармонических каскадных лазеров на свободных электронах».

Рентгеновский лазер на свободных электронах является одним из самых передовых источников света в мире. В настоящее время большинство международных рентгеновских лазеров на свободных электронах основаны на механизме самоусиливающегося спонтанного излучения (SASE). SASE обладает очень высокой пиковой яркостью, сверхкороткой длительностью импульса на фемтоуровне и другими превосходными характеристиками, но вибрация SASE из-за шума, когерентность и стабильность его импульсного излучения невысоки, что не позволяет отнести его к «лазерам» рентгеновского диапазона. Одним из важнейших направлений развития в области международных лазеров на свободных электронах является генерация полностью когерентного рентгеновского излучения с качеством обычного лазера, и важным способом является использование механизма работы лазера на свободных электронах с внешним затравочным источником. Излучение лазера на свободных электронах с внешним затравочным источником наследует характеристики лазера с затравочным источником и обладает превосходными характеристиками, такими как полная когерентность, фазовый контроль и точная синхронизация с внешним лазером накачки. Однако из-за ограничений длины волны и длительности импульса лазера с затравочным источником диапазон коротковолнового излучения и регулировки длительности импульса лазера на свободных электронах с внешним затравочным источником ограничен. Для дальнейшего расширения диапазона коротких длин волн внешнего лазера на свободных электронах в последние годы в мире активно разрабатываются новые режимы работы лазера на свободных электронах, такие как генерация эхо-гармоник.

Внешнее затравливание свободных электронов является одним из основных технических направлений развития высокоэффективных лазеров на свободных электронах в Китае. В настоящее время все четыре высокоэффективных лазера на свободных электронах в Китае используют режим работы с внешним затравлением. На основе Шанхайской установки глубокого ультрафиолетового лазера на свободных электронах и Шанхайской установки мягкого рентгеновского лазера на свободных электронах ученые последовательно добились первого международного усиления света в эхо-типе лазера на свободных электронах и первого усиления насыщения в эхо-типе лазера на свободных электронах в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Для дальнейшего продвижения лазеров на свободных электронах с внешним затравлением в коротковолновый диапазон исследовательская группа самостоятельно предложила новый механизм полностью когерентного лазера на свободных электронах с эхо-гармоническим каскадом, который был принят в качестве базовой схемы Шанхайской установкой мягкого рентгеновского лазера на свободных электронах, и завершила весь процесс от принципиальной проверки до усиления света в мягком рентгеновском диапазоне. Результаты исследований показывают, что по сравнению с традиционным механизмом генерации импульсов с внешним затравочным источником, данный механизм обладает превосходными спектральными характеристиками, что подтверждается применением разработанной исследователями технологии диагностики сверхбыстрых рентгеновских импульсов (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027). Это дополнительно подтверждает превосходные характеристики нового механизма в управлении длительностью импульса и генерации сверхбыстрых импульсов. Полученные результаты исследований предлагают перспективный технический путь для генерации полностью когерентных лазеров на свободных электронах в субнанометровом диапазоне и станут идеальным инструментом исследований в области рентгеновской нелинейной оптики и сверхбыстрой физической химии.

Лазер на свободных электронах с каскадным эхо-гармоническим излучением обладает превосходными спектральными характеристиками: на левом изображении показан обычный каскадный режим, а на правом — каскадный режим с эхо-гармоническим излучением.

Регулировка длительности рентгеновского импульса и генерация сверхбыстрых импульсов могут быть реализованы с помощью каскада гармоник эха.