近日，我所化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)全國重點實驗室大連光源科學(xué)研究室楊學(xué)明院士、張未卿研究員團(tuán)隊與深圳先進(jìn)光源研究院科研團(tuán)隊合作，在超快軟X射線自由電子激光(FEL)領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研發(fā)團(tuán)隊提出一種基于等離子體的高效啁啾脈沖壓縮方法，從理論和模擬層面證明了該方法可突破傳統(tǒng)技術(shù)的效率瓶頸，為實現(xiàn)超高亮度、阿秒級的軟X射線激光脈沖輸出提供了新路徑。

高亮度、超快時間尺度(飛秒至阿秒尺度)的X射線激光脈沖是在原子時空維度上觀測物質(zhì)內(nèi)部非線性和超快動力學(xué)過程的關(guān)鍵工具，是當(dāng)前前沿科學(xué)研究不可或缺的手段。自由電子激光作為產(chǎn)生這類超快X射線脈沖的核心裝置，其啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)對提升激光峰值功率至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)光柵啁啾壓縮器在軟X射線波段的傳輸效率較低，嚴(yán)重限制了最終輸出激光的峰值功率。因此，亟需開發(fā)一種全新的高效軟X射線脈沖壓縮方法。

針對上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊提出了一種全新的解決方法：利用惰性氣體(如氬離子，Ar??)等離子體作為壓縮介質(zhì)，以實現(xiàn)阿秒軟X射線激光輸出。該方法的核心原理是利用軟X射線激光在接近等離子體離子共振頻率時產(chǎn)生的強(qiáng)折射率色散效應(yīng)，對預(yù)先展寬的啁啾脈沖進(jìn)行精確的色散補(bǔ)償，從而實現(xiàn)時間維度上的壓縮。基于回聲增強(qiáng)諧波產(chǎn)生(EEHG)自由電子激光模型產(chǎn)生的啁啾脈沖，研究團(tuán)隊開展了系統(tǒng)的模擬分析。結(jié)果表明，該方法的傳輸效率超過70%，可將25飛秒的軟X射線脈沖壓縮至1.4飛秒，同時將脈沖峰值功率從23.5吉瓦提升至100吉瓦以上。該方法設(shè)計巧妙，與現(xiàn)有自由電子激光設(shè)施高度兼容，具備良好的實驗可行性。

相關(guān)研究成果以“High-Efficiency Plasma-Based Compressor for Ultrafast Soft X-Ray Free-Electron Lasers”為題，于近日發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、遼寧省興遼英才計劃、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項“基于極紫外光源的化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)精準(zhǔn)探測”等項目的資助。

審核編輯 黃宇