Zespół laserów na swobodnych elektronach Szanghajskiego Instytutu Studiów Zaawansowanych Chińskiej Akademii Nauk poczynił postępy w badaniach nad w pełni spójnymi laserami na swobodnych elektronach. W oparciu o miękkie urządzenie laserowe na swobodnych elektronach rentgenowskich w Szanghaju, nowy mechanizm kaskadowego lasera elektronowego echo-harmonicznej zaproponowany przez Chiny został pomyślnie zweryfikowany i uzyskano miękkie promieniowanie koherentne rentgenowskie o doskonałej wydajności. Odpowiednie wyniki badań zostały niedawno opublikowane w Optica pod tytułem Spójne i ultrakrótkie miękkie impulsy rentgenowskie z harmonicznych kaskadowych laserów na swobodnych elektronach z obsługą echa.
Rentgenowski laser na swobodnych elektronach jest jedną z najbardziej zaawansowanych instalacji naukowych źródła światła na świecie. Zdecydowana większość międzynarodowych rentgenowskich laserów na swobodnych elektronach opiera się na samowzmacniającym się mechanizmie promieniowania spontanicznego (SASE), SASE ma bardzo wysoką jasność szczytową i femtosekundową ultrakrótką szerokość impulsu oraz inną doskonałą wydajność, ale SASE przez wibracje szumu, jego spójność i stabilność impulsu promieniowania nie jest wysoka, jeszcze nie pasmo rentgenowskie "laser". Jednym z najważniejszych międzynarodowych osiągnięć w dziedzinie laserów na swobodnych elektronach jest generowanie w pełni spójnego promieniowania rentgenowskiego o konwencjonalnej jakości lasera, a ważnym sposobem na to jest użycie zewnętrznego mechanizmu działania lasera na swobodnych elektronach typu seed. Promieniowanie zewnętrznego lasera na swobodnych elektronach dziedziczy cechy lasera nasiennego, z doskonałymi cechami, takimi jak pełna spójność, kontrola fazy i precyzyjna synchronizacja z laserem pompowanym zewnętrznie. Jednak zasięg krótkiej długości fali i zakres regulacji długości impulsu zewnętrznego lasera na swobodnych elektronach jest ograniczony długością fali i szerokością impulsu lasera nasiennego. W celu dalszego rozszerzenia zasięgu krótkiej długości fali lasera na swobodnych elektronach typu zewnętrznego, w ostatnich latach energicznie rozwijane są nowe tryby pracy lasera na swobodnych elektronach, takie jak generowanie harmonicznych echa.
Zewnętrzny laser na swobodne elektrony typu nasion jest jedną z głównych dróg technicznych do rozwoju laserów na swobodnych elektronach o wysokim wzmocnieniu w Chinach, a obecnie wszystkie cztery urządzenia laserowe na swobodnych elektronach o wysokim zysku w Chinach przyjęły tryb działania zewnętrznego nasiona. W oparciu o Shanghai Deep Ultraviolet Free Electron Laser Unit i Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Unit, naukowcy osiągnęli pierwsze na świecie wzmocnienie emisji laserem na swobodnych elektronach typu echo i pierwsze wzmocnienie nasycenia laserem na swobodnych elektronach typu echo w ekstremalnym paśmie ultrafioletowym. Aby jeszcze bardziej rozwinąć zewnętrzny laser elektronowy typu nasion do krótszych długości fal, zespół badawczy niezależnie zaproponował nowy mechanizm w pełni spójnego lasera na swobodnych elektronach z kaskadą harmoniczną echa, który został przyjęty jako podstawowy schemat przez urządzenie laserowe na swobodnych elektronach rentgenowskich w Szanghaju i zakończył cały proces od dowodu zasady do miękkiego pasma rentgenowskiego wychodzącego wzmacniacza światła. Wyniki pokazują, że ten nowy mechanizm ma bardzo lepsze właściwości spektralne w porównaniu z konwencjonalnym egzogennym mechanizmem operacyjnym typu nasion, który jest dodatkowo zwalidowany pod względem kontroli długości impulsu i ultraszybkiego generowania impulsów przy użyciu opracowanej przez naukowców ultraszybkiej techniki diagnostycznej impulsów rentgenowskich (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027). Doskonała wydajność tego nowego mechanizmu pod względem kontroli długości impulsu i ultraszybkiego generowania impulsów została dodatkowo zademonstrowana przez zastosowanie ultraszybkiej techniki diagnostycznej impulsów rentgenowskich opracowanej we własnym zakresie. Wyniki badań stanowią praktyczną drogę do generowania w pełni spójnych laserów na swobodnych elektronach na falach subnanometrów i zapewnią idealne narzędzia badawcze dla dziedzin nieliniowej optyki rentgenowskiej i ultraszybkiej fizykochemii.
Zarówno włoska instalacja FERMI-FEL, jak i instalacja SwissFEL w Szwajcarii proponują obecnie plany dalszego zwiększenia ich wydajności radiacyjnej za pomocą tego nowego mechanizmu. Prace badawcze były wspierane przez National Key Research and Development Program of China, National Excellent Youth Fund Program, National Natural Science Foundation of China i Shanghai Talent Program.
Echo-harmoniczny kaskadowy laser na swobodnych elektronach o doskonałej wydajności widmowej: konwencjonalny tryb kaskadowy po lewej stronie, tryb kaskadowy echo-harmoniczny po prawej stronie.
Kaskada harmoniczna echa do regulacji długości impulsów rentgenowskich i ultraszybkiego generowania impulsów.
