上海应物所自由电子激光物理研究取得系列进展

　　近期，中国科学院上海应用物理研究所科研人员在自由电子激光物理研究领域取得了一系列新进展。

　　1.相位汇聚高次谐波放大(PEHG)自由电子激光后续研究进展

　　外种子机制是短波长自由电子激光的一个重要发展方向。目前，人们已经相继提出了高增益高次谐波放大(HGHG)和回声高次谐波放大(EEHG)等外种子自由电子激光机制。但是，外种子自由电子激光的谐波转换次数通常会受到直线加速器所产生电子束能散的限制，较难向更短的波长发展。上海应物所科研人员于2013年提出了相位汇聚高次谐波放大(PEHG)自由电子激光运行模式(Phys. Rev. Letts. 111 (2013) 084801)，能够有效地克服电子束能散的限制，从而大大提高谐波转换次数。PEHG为未来全相干X射线自由电子激光装置的建设提供了一种非常有吸引力的方案。

　　在后续研究中，研究人员从三维的束流物理学出发，详细分析了相位汇聚(phase-merging)的物理机制，系统地研究了PEHG对种子激光、电子束、波荡器的各种参数的依赖关系(New J. Phys. 16 (2014) 043021);并提出了种子激光相位倾斜等实现PEHG原理的新方案(Phys. Rev. ST-AB. 17 (2014) 070701)。研究发现，相位汇聚原理不仅可以提高外种子自由电子激光的高次谐波转换效率，在粒子加速器领域中还有着更为广阔的应用前景。

　　PEHG在自由电子激光领域有着极为重要的意义，上海应物所邓海啸博士受邀参加了2014年8月在瑞士巴塞尔召开的第35届国际自由电子激光会议并作了“PEHG相关物理研究”的大会邀请报告。目前，研究人员正在积极准备在上海极紫外自由电子激光装置(SDUV-FEL)进行相关实验，力争实现从概念原理提出到实验验证，都由我国科学家独立完成。该项研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部“973”项目和中国科学院的资助支持。

　　图1. 实现PEHG原理的三种技术方案：a)电子束能量调制和相位汇聚均由TGU完成;b)电子束团能量调制和相位汇聚由常规调制段和TGU分别完成;c)电子束相位汇聚由波前倾斜的外种子激光完成。

　　2.外种子自由电子激光(FEL)的噪声演化研究进展

　　外种子自由电子激光的主要优势是可以继承种子激光的优秀特性，具有优异的横向相干性、纵向相干性和波长稳定性等。同时，和任意一个信号系统类似，在外种子FEL的高次谐波转换过程中，种子激光和电子束团的微小噪声和缺陷也会被继承，并被进一步放大。一般认为，外种子FEL的输出信噪比与其谐波转换次数的平方成反比，即随着谐波次数的增大，外种子FEL频谱等性能会严重退化，也就是所谓的噪声演化问题。因此，噪声问题被认为是限制外种子FEL向X射线扩展的一个重要因素。

　　上海应物所研究人员近日在外种子FEL噪声研究方面取得新进展，修正揭示了外种子FEL的噪声演化规律，相关研究成果发表在Phys. Rev. ST-AB 16(2013) 060705，Nucl. Instr. Meth. A 737(2014) 237 和 Nucl. Instr. Meth. A 753(2014) 56。通过引入种子激光和电子束团之间的相对滑移，研究人员发现，种子激光相位噪声的放大并非简单地遵守N平方规律，可以通过增加调制段波荡器周期数来有效抑制，从而改善外种子FEL性能。当种子激光为超短脉冲情况下，理论和模拟均证明，外种子FEL可以完全补偿种子激光的相位噪声，从而输出纵向相干性非常优秀的辐射脉冲。同时，研究人员还系统地分析了不同模式外种子FEL对电子束团噪声的响应，发现PEHG和EEHG两种模式可以做到对电子束能量噪声较小的响应。

　　外种子FEL噪声问题的研究修正了以前的理论预期，证明目前的激光技术可以非常好的满足外种子FEL对种子激光的要求，并为全相干FEL装置向更短波长发展提供了理论依据，对建设中的大连相干光源和上海软X射线试验装置都有积极意义。该项研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部“973”项目和中国科学院的资助支持。

　　图2. 左：随着调制段波荡器的周期数增加，外种子FEL的噪声放大倍数逐渐变小。右：电子束团的非线性能量chirp对不同模式外种子FEL频谱的影响，可以看出，HGHG输出的纵向相干性明显降低，EEHG对电子束团能量的chirp不太敏感，而PEHG对这种电子束团能量的不完美型天然免疫。

　　3.基于电子束团相干辐射的外种子FEL波荡器准直与调试方法研究进展

　　短波长自由电子激光的饱和出光，不单需要直线加速器提供高品质电子束团，而且需要确保电子束团在波荡器系统中高精度扭摆，这就涉及到波荡器系统准直、波荡器间隙设定、波荡器段间相位匹配和尾场补偿等问题。因此，在交付用户之前，FEL装置都要经历漫长的调束阶段，以便掌握和优化整个FEL装置的性能。

　　基于电子束团的准直(BBA)是粒子加速器领域常用的准直方法。利用BBA技术，美国LCLS自由电子激光在132m波荡器达到了小于5μm的束流轨道。波荡器的BBA过程需要改变电子束能量、读取大量BPM数值和复杂的数值算法，鉴于此，LCLS是目前唯一成功运行BBA的FEL装置。基于电子束团自发辐射的准直(PBA)，是近年发展起来的FEL波荡器准直方法。利用波荡器下游的光学系统，独立测量各段波荡器的自发辐射谱，推出束流轨道相关信息，从而加以反馈调整。日本SACLA自由电子激光利用PBA在110米波荡器达到了1μm的束流轨道。

　　由于其优越的全相干性和波长稳定性，外种子FEL已经成为紫外至软X射线波段用户装置的首选工作模式。外种子FEL电子束团能量相对较低，通常在0.3-1GeV量级，电子束刚性差，大幅改变电子束能量的BBA几乎无法正常工作;另外，外种子FEL的工作波段没有可用的晶体单色仪，无法进行类似SCALA的自发辐射准直。因此，对于外种子FEL，探索新的波荡器系统调试方法，是极具意义的一个科学问题。

　　上海应物所长期从事外种子FEL物理和实验研究，科研人员在总结调试经验的基础上，提出了基于电子束团相干辐射的外种子FEL波荡器调试方法，并在SDUV-FEL试验装置上完成了实验验证，相关研究成果近日发表在Phys. Rev. ST-AB. 17 (2014) 100702。研究表明，通过分析已群聚电子束在辐射段波荡器的相干辐射性能，同样能得到波荡器内的束流轨道和共振关系等信息，便可以实现外种子FEL波荡器系统的束流轨道准直。另外，基于电子束团相干辐射的准直技术与整个FEL调试浑然一体，更为直观，除波荡器准直之外，还可以用来设定波荡器的工作磁间隙和波荡器的段间相位匹配等。

　　目前，我国首个高增益FEL用户装置(大连相干光源)和首个X射线FEL(上海软X射线FEL试验装置)均采用外种子FEL工作模式，并在2~3年内进入FEL调试阶段。因此，基于电子束团相干辐射的波荡器准直和调试方法的提出，对我国FEL装置建设有十分重要的实际意义。该项研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部“973”项目和中国科学院的资助支持，由上海应物所冯超博士和邓海啸博士等合作完成。

　　图3. 在基于电子束团相干辐射的外种子FEL波荡器准直调试方法中，当电子束在水平方向以一个倾角进入波荡器，并且波荡器的gap大于FEL共振关系所需时，在下游CCD上看到的电子束团相干辐射的空间分布，左：SDUV-FEL实验结果，右：从头至尾的数值模拟结果。

　　4.全光学X射线光源的辐射性能提升

　　相对于射频电子加速器驱动的X射线光源，发展全光学X射线光源，对减小同步辐射和自由电子激光的装置规模很有好处。所谓全光学光源，即利用激光等离子尾场加速原理获得高能量电子束团，并用激光电场来替代常规的波荡器。激光等离子加速能产生比常规射频加速器高2-3个量级的加速梯度，而激光波荡器的周期长度比常规磁铁波荡器小2-3个量级，因此，全光学方法可以将光源规模急剧缩小，是桌面型X射线光源的可行方案，对于同步辐射和自由电子激光等光源的普及应用具有十分重要的意义。

　　激光等离子加速产生电子束团峰值流强高(一般可达数千安培)，束团长度短(一般仅有几个飞秒)，横向发射度极低(如0.1微米弧度)，这些特性均十分符合高亮度X射线光源对电子束团的要求。然而，目前为止，激光等离子体加速产生的电子束团能散在1%以上，尚远远大于X射线FEL的需求，这就限制了其在高增益X射线FEL方面的应用。

　　上海应物所研究人员发现，通过耦合电子能量和横向位置，并调节电子束在激光场中扭摆的中心位置，便可以补偿全光学X射线光源中电子束团的能散效应，相关研究成果近日发表在Optics Express 22(2014)13880。具体原理如下：首先利用横向色散元件将电子束团的纵向能量映射到横向分布;其次激光场在横向天然具有高斯分布，即场强从横切面中心位置向四周递减，只要入射电子束团不在激光场中心扭摆，便自然感受到横向场梯度的存在，也就是所谓的具有横向梯度的激光波荡器。这样安排下，不同能量电子均满足自由电子激光共振条件，便可将能量转换效率提高2-3个量级，并改善FEL横向模式。

　　该项研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部“973”项目和中国科学院的资助支持，由上海应物所张彤博士和邓海啸博士等合作完成。