Das Freie-Elektronen-Laser-Team der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat Fortschritte in der Forschung an vollständig kohärenten Freie-Elektronen-Lasern erzielt. Basierend auf der Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Facility wurde der von China vorgeschlagene neue Mechanismus des Echo-Harmonischen-Kaskaden-Freie-Elektronen-Lasers erfolgreich verifiziert und kohärente Weichröntgenstrahlung mit exzellenten Eigenschaften erzeugt. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Optica unter dem Titel „Kohärente und ultrakurze Weichröntgenpulse aus Echo-fähigen Harmonischen-Kaskaden-Freie-Elektronen-Lasern“ veröffentlicht.
Der Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (X-FREL) zählt zu den fortschrittlichsten Lichtquellen weltweit. Aktuell basieren die meisten internationalen X-FREL auf dem Mechanismus der selbstverstärkenden spontanen Emission (SASE). SASE zeichnet sich durch eine sehr hohe Spitzenhelligkeit, ultrakurze Pulsdauern im Femtobereich und weitere hervorragende Eigenschaften aus. Allerdings ist SASE anfällig für Vibrationen und Rauschen, wodurch die Kohärenz und Stabilität der Strahlungspulse gering sind und es sich nicht um einen „Laser“ im Röntgenbereich handelt. Eine der wichtigsten Entwicklungsrichtungen im Bereich der internationalen Freie-Elektronen-Laser ist die Erzeugung vollständig kohärenter Röntgenstrahlung in konventioneller Laserqualität. Ein wichtiger Ansatzpunkt hierfür ist der Betrieb mit externen Seed-FREL. Die Strahlung eines externen Seed-FREL übernimmt die Eigenschaften des Seed-Lasers und weist hervorragende Merkmale wie vollständige Kohärenz, Phasenkontrolle und präzise Synchronisation mit dem externen Pumplaser auf. Aufgrund der Begrenzung von Wellenlänge und Pulsdauer des Seed-Lasers sind jedoch der kurzwellige Abdeckungsbereich und der Einstellbereich der Pulslänge des externen Seed-FREL eingeschränkt. Um den Kurzwellenbereich des externen Seed-Freie-Elektronen-Lasers weiter auszubauen, werden in den letzten Jahren weltweit neue Betriebsmodi für Freie-Elektronen-Laser wie die Echo-Harmonische-Erzeugung intensiv entwickelt.
Der Betrieb von Freie-Elektronen-Lasern mit externem Seed ist einer der wichtigsten technischen Wege zur Entwicklung von Freie-Elektronen-Lasern mit hoher Verstärkung in China. Derzeit arbeiten alle vier chinesischen Freie-Elektronen-Laser mit hoher Verstärkung im externen Seed-Betrieb. Basierend auf der Shanghai Deep Ultraviolet Free Electron Laser Facility und der Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Facility gelang es Wissenschaftlern, die weltweit erste Lichtverstärkung eines Freie-Elektronen-Lasers vom Echo-Typ und die erste Sättigungsverstärkung eines Freie-Elektronen-Lasers vom Echo-Typ im extremen Ultraviolettbereich zu erzielen. Um die Entwicklung von Freie-Elektronen-Lasern mit externem Seed im kurzwelligen Bereich voranzutreiben, entwickelte das Forschungsteam unabhängig einen neuen Mechanismus für einen vollständig kohärenten Freie-Elektronen-Laser mit Echo-Harmonischen-Kaskade. Dieser Mechanismus wurde von der Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Facility als Basiskonzept übernommen und der gesamte Prozess von der Prinzipverifizierung bis zur Lichtverstärkung im weichen Röntgenbereich erfolgreich abgeschlossen. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass dieser Mechanismus im Vergleich zum herkömmlichen externen Seed-Anregungsmechanismus hervorragende spektrale Eigenschaften aufweist. Durch die Anwendung der von Forschern eigens entwickelten Technologie zur ultraschnellen Röntgenpulsdiagnose (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027) wird die überlegene Leistung dieses neuen Mechanismus hinsichtlich Pulslängensteuerung und ultraschneller Pulserzeugung weiter bestätigt. Die entsprechenden Forschungsergebnisse bieten einen praktikablen technischen Weg zur Erzeugung vollständig kohärenter Freie-Elektronen-Laser im Subnanometerbereich und stellen ein ideales Forschungswerkzeug für die Bereiche der nichtlinearen Röntgenoptik und der ultraschnellen physikalischen Chemie dar.
Der Freie-Elektronen-Laser mit Echo-Harmonischer-Kaskade weist eine hervorragende spektrale Leistung auf: Das linke Bild zeigt den konventionellen Kaskadenmodus, das rechte Bild den Echo-Harmonischer-Kaskadenmodus.
Die Anpassung der Röntgenpulslänge und die Erzeugung ultraschneller Pulse können durch eine Echo-Harmonische-Kaskade realisiert werden.
Veröffentlichungsdatum: 08.10.2023