高增益双色自由电子激光的理论与关键技术研究

In recent decades, the high-gain free-electron lasers (FELs) based on advanced accelerator techniques have been successfully developed around the world. High-gain FELs hold the ability for the generation of coherent radiation pulses with ultra-short time duration at high photon energies, which capable of enabling new areas of sciences. Generating two-color radiation pulses with ultra-short pulse durations is of remarkable interest in the FEL user community. Applications exist over a broad range of wavelengths involving pump-probe experiments, which can be used to investigate the ultrafast process occurring during chemical and physical reactions. Nearly all high-gain FEL facilities around the world have performed the two-color FEL experiments in recent years. Here the applicant and his collaborators propose to study the mechanisms of various two-color FEL schemes and develop key technologies for two-color FEL experiments at the Shanghai soft x-ray test facility (SXFEL). It is hoped that several novel two-color x-ray FEL generation schemes will be proposed to satisfy the new demands of FEL users and optical systems will be built for the two-color FEL experiments at SXFEL through the studies of this proposal.

近些年，基于先进加速器的高增益自由电子激光（FEL）受到了国际上的广泛重视和大力发展。FEL具有极高的时间和空间分辨率，能为多种科学研究开辟全新的领域。双色FEL是近年来在高增益FEL领域迅速兴起的一项前沿技术，可用于对物理、化学中的基本过程进行深入的研究。目前国际上所有的高增益FEL装置都在着力开展双色FEL产生的相关研究。本项目结合国际上FEL的发展趋势，拟通过理论与模拟研究，对双色FEL产生机制进行全面的探索，并对一些新型的双色FEL产生机制进行深入研究；另外，我们还将基于上海软X射线FEL试验装置（SXFEL）开展双色FEL关键技术的研究，搭建开展双色FEL实验所需的光学系统。本项目的目标是提出全相干X射线双色FEL产生的新机制，满足FEL用户的各种需求，同时掌握双色FEL产生的关键技术，为SXFEL开展双色FEL实验奠定基础。

基于直线加速器的X射线自由电子激光（FEL），拥有比第三代同步辐射光源更高的峰值亮度、更短的时间脉冲结构和更好的相干性，是国际上最为先进的大型基础科研设施之一，是研究微观物质结构动态变化过程的理想探针。鉴于其重大科学意义及应用前景，近些年国内外FEL发展十分迅速。我国目前已先后建成了上海深紫外FEL试验装置（SDUV-FEL）、大连相干光源（DCLS）和上海软X射线FEL（SXFEL）装置，并正在建设超导硬X射线FEL装置（SHINE）。随着国际上FEL大科学装置的发展和成熟，FEL用户也对光源性能提出了越来越多的新需求，其中多色超短脉冲FEL的产生是当今国际FEL领域的一个重要发展方向，对于拓展X射线FEL的应用范围具有十分重要的意义。我国X射线FEL装置的潜在用户也已经明确提出了对双色/多色FEL的迫切需求。本项目结合国际上FEL的发展趋势和我国FEL装置发展的特点，重点开展了基于种子型FEL产生全相干双色/多色辐射的物理机制和关键技术的研究，具体研究内容包括全相干多色FEL产生物理机制、双色种子激光光学系统搭建和外种子多色FEL实验三个方面。在全相干多色FEL产生物理机制方面，本项目系统研究了全相干FEL的多种产生方案并将其与多色脉冲产生相结合，提出了基于角色散增强机制产生超快双色FEL和基于自种子产生全相干双色脉冲等多个新机制；在关键技术研究方面，本项目设计并完成了双色种子激光光学系统的搭建，并基于此光学系统完成了基于回声型（EEHG）FEL产生全相干双色软X射线FEL物理方案的设计；在实验研究方面，本项目基于SXFEL开展了EEHG的物理研究，实现了EUV波段EEHG的出光放大和软X射线波段的信号输出，初步测试了多色FEL产生的方案，得到了多色拍频频谱。本项目发展了多色FEL新原理和关键技术，在本项目支持下共发表相关学术论文16篇，培养博士研究生两名，本项目的成功开展为我国在软X射线和硬X射线FEL装置上开展双色/多色FEL实验奠定了理论和技术基础。