Das Freie-Elektronen-Laser-Team der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat Fortschritte bei der Erforschung vollständig kohärenter Freie-Elektronen-Laser erzielt. Anhand der Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Facility wurde der von China vorgeschlagene neue Mechanismus des echoharmonischen Kaskaden-Freie-Elektronen-Lasers erfolgreich verifiziert und eine weiche, kohärente Röntgenstrahlung mit hervorragender Leistung erzielt. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Optica unter dem Titel „Kohärente und ultrakurze weiche Röntgenpulse von echofähigen harmonischen Kaskaden-Freie-Elektronen-Lasern“ veröffentlicht.
Der Röntgen-Freie-Elektronen-Laser zählt zu den fortschrittlichsten Lichtquellen weltweit. Die meisten internationalen Röntgen-Freie-Elektronen-Laser basieren derzeit auf dem Mechanismus der selbstverstärkenden spontanen Emission (SASE). SASE zeichnet sich durch eine sehr hohe Spitzenhelligkeit und ultrakurze Pulsbreiten im Femtobereich aus. Allerdings weisen SASE-Laser aufgrund von Rauschen, geringer Kohärenz und geringer Stabilität ihrer Strahlungspulse keine hohe Röntgenbandbreite auf. Eine der wichtigsten Entwicklungsrichtungen im Bereich der internationalen Freie-Elektronen-Laser ist die Erzeugung vollständig kohärenter Röntgenstrahlung in konventioneller Laserqualität. Dabei kommt der externe Seed-Freie-Elektronen-Laser-Betriebsmechanismus zum Einsatz. Die Strahlung des externen Seed-Freie-Elektronen-Lasers übernimmt die Eigenschaften des Seed-Lasers und zeichnet sich durch hervorragende Eigenschaften wie vollständige Kohärenz, Phasenkontrolle und präzise Synchronisierung mit dem externen Pumplaser aus. Aufgrund der begrenzten Wellenlänge und Pulsbreite des Seed-Lasers sind jedoch auch die Kurzwellenlängenabdeckung und der einstellbare Pulslängenbereich des externen Seed-Freie-Elektronen-Lasers eingeschränkt. Um den Kurzwellenbereich des Freie-Elektronen-Lasers mit externem Seed weiter auszudehnen, werden in den letzten Jahren weltweit intensiv neue Betriebsmodi für Freie-Elektronen-Laser entwickelt, beispielsweise die Erzeugung von Echoharmonischen.
Freie Elektronenlaser mit externem Seed sind einer der wichtigsten technischen Wege zur Entwicklung von Freie-Elektronen-Lasern mit hoher Verstärkung in China. Derzeit verwenden alle vier Freie-Elektronen-Laser mit hoher Verstärkung in China den Betriebsmodus mit externem Seed. Mithilfe der Shanghai Deep Ultraviolet Free Electron Laser Facility und der Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Facility gelang es Wissenschaftlern nacheinander, die weltweit erste Lichtverstärkung eines Freie-Elektronen-Lasers vom Echotyp und die erste Sättigungsverstärkung eines Freie-Elektronen-Lasers vom Echotyp im extremen Ultraviolettbereich zu erzielen. Um die Leistungsfähigkeit von Freie-Elektronen-Lasern mit externem Seed im Bereich kurzer Wellenlängen weiter zu steigern, schlug das Forschungsteam eigenständig einen neuen Mechanismus für einen vollkohärenten Freie-Elektronen-Laser mit Echoharmonischer Kaskade vor, der vom Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser als Grundschema übernommen wurde, und schloss den gesamten Prozess von der Prinzipüberprüfung bis zur Lichtverstärkung im weichen Röntgenbereich ab. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass dieser Mechanismus im Vergleich zum herkömmlichen externen Seed-Laufmechanismus hervorragende spektrale Eigenschaften aufweist. Durch die von den Forschern eigenständig entwickelte ultraschnelle Röntgenpulsdiagnosetechnologie (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027) wird die überlegene Leistung dieses neuen Mechanismus bei der Pulslängensteuerung und der ultraschnellen Pulserzeugung weiter bestätigt. Die relevanten Forschungsergebnisse eröffnen einen praktikablen technischen Weg zur Erzeugung vollständig kohärenter Freie-Elektronen-Laser im Subnanometerbereich und stellen ein ideales Forschungsinstrument für die Bereiche der nichtlinearen Röntgenoptik und der ultraschnellen physikalischen Chemie dar.
Der Echoharmonische-Kaskaden-Freie-Elektronen-Laser weist eine hervorragende spektrale Leistung auf: Das linke Bild zeigt den konventionellen Kaskadenmodus, das rechte Bild den Echoharmonischen-Kaskadenmodus.
Die Anpassung der Röntgenpulslänge und die Erzeugung ultraschneller Pulse können durch eine Echoharmonische Kaskade realisiert werden
Beitragszeit: 08.10.2023