高增益自由电子激光新原理新机制的研究

自由电子激光是一种基于电子加速器技术的最先进的新一代光源.以其辐射的相干特性，高增益自由电子激光装置已成为国际公认的"第四代"光源的主要代表。较现在的第三代同步辐射光源，自由电子激光具有更好的时间和空间分辨率，以及更高的峰值亮度，这些辐射特性将赋予科学家更强有力的实验手段。.目前国际上的自由电子激光研究正呈现急剧的上升趋势,新原理不断涌现,特别是有种子的自由电子激光(seeded FEL)方面,如回声机制(echo scheme)等具有极大的潜力，可以在很少的级联次数下即产生超高亮度的相干X射线激光。.本项目以刚刚建成的上海极紫外自由电子激光试验装置（SDUV）为基地,积极探索研究FEL新物理机制，理论密切结合实验,开展本领域最前沿课题的研究,重点是回声机制(Echo-Enabled)的EEHG和超短脉冲(Ultra short) FEL原理研究，目标是世界首次的原理性试验及理论比较研究。

自从硬X射线自由电子激光顺利成功并创造一系列喜人的成果后，自由电子激光正越来越受到人们的关注。本课题围绕当前自由电子激光研究领域内比较前沿的方向之一，即产生高次谐波的新原理与机制，进行理论和实验的探索。目前供实验上使用的X射线自由电子激光是基于SASE机制产生的，其光谱特性缺乏时间相干性；为了获得全相干的短波长自由电子激光，光学激光器通常被用作外来的种子去调制电子束流，通过诸如HGHG、EEHG等机制可以获得种子激光高次谐波的自由电子激光。本课题将主要的精力集中在探索EEHG在全相干自由电子激光中的应用潜力，主要的研究部署为利用上海深紫外自由电子激光试验装置，首先在实验上验证EEHG的原理（较低的谐波转换次数），紧接着实现EEHG的自由电子激光放大，其次探索更高次数的EEHG自由电子激光过程的可行性，为将来的用户实验装置积累经验和探索铺路。.在该项目的执行期间，取得了丰硕的成果，和本项目相关的可以简要概括为以下几个方面。首先我们在世界上首次实现了EEHG的原理性验证（二次谐波）和EEHG信号的指数放大（三次谐波），其次我们在实验上观测到了谐波次数最高至10次的EEHG信号。在EEHG的原理性验证实验中，我们使用1047nm的种子激光作为EEHG的两个种子，通过扫描两个色散段的强度获得的实验结果与理论的对比来验证EEHG原理；在EEHG的指数放大实验中，我们利用9米长的辐射段波荡器来放大经过EEHG机制调制并群聚好的电子束，获得了数10万倍的增益（350nm左右的辐射光），通过理论和实验上分析HGHG和EEHG在同样的种子激光的三次谐波上对电子束能量啁啾的响应差异，我们证明了被指数放大的为EEHG信号，并测得了详尽的光谱和脉冲能量增益曲线，该成果发表在权威杂志Nature Photonics上，并且被选为封面文章，其重要意义在于我们证明了EEHG这种在高次谐波上具有高效谐波转换效率的新机制能够被应用在未来更大的装置上，以期在合适的条件下获得全相干的X射线自由电子激光。最后我们在后续更高次EEHG的实验中，使用波长不一的两束种子激光进行EEHG原理研究，观测到了10次EEHG的信号。这些成果使我们相信EEHG这种新机制在产生高次全相干的自由电子激光很有潜力。