“交叉相关”实验方法在自由电子激光诊断中的模拟研究

X射线自由电子激光具有超短脉宽、高亮度、短波可调和完全相干等卓越的性能，它的出现为生命科学、材料科学、原子分子物理学等领域的发展提供了最先进的研究手段和工具。作为新光源，X射线自由电子激光的光子诊断研究正成为国际上研究的热点。"交叉相关"实验方法是诊断X射线自由电子激光光脉冲特征参数的重要的物理实验方法。本项目采用软光子近似理论与蒙特卡罗模拟以及电子光学模拟相结合的方法，研究自由电子激光脉冲的时间和光谱结构等特征参数对"交叉相关"实验结果的影响。利用理论模拟计算结果拟合"交叉相关"方法获得的氦原子光电子能谱实验数据，得到自由电子激光单脉冲的时间、光谱结构等重要参数。本方法考虑了能谱仪实际工作状况和实验条件的影响，使得拟合分析的结果更加可靠。此研究方法将为我国X射线自由电子激光的光子诊断研究提供前瞻性的研究结果，并为我国的自由电子激光光子诊断研究工作打下扎实的基础。

近年来，短波长自由电子激光技术获得了不断进步，为人类科研探索提供了从极紫外到硬X射线波段超高亮度、超短脉宽的相干光源。作为全新光源，短波长自由电子激光诊断研究是随光源的发展而不断发展的新的研究方向。利用光学、原子物理等领域的研究手段和方法，开展自由电子激光光源品质表征是目前国际研究热点之一。. 本项目针对“交叉相关”诊断方法在自由电子激光诊断中的应用开展模拟研究，分析如何利用该方法可靠地表征自由电子激光的品质参数。与此同时，本项目结合我国自由电子激光发展的实际情况，开展了FEL光源特征诊断研究工作。. 本项目研究内容包括：以软光子近似等理论为基础，研究“交叉相关”方法获得的原子双色多光子电离能谱和光电子角分布的计算方法。利用电子光学模拟方法，对“交叉相关”方法使用的磁瓶电子能量谱仪开展了模拟分析，获得了谱仪的仪器参数，这为将来设计相关谱仪装置提供了参考。结合理论计算方法和实际仪器函数，模拟研究了短波长自由电子激光诊断中“交叉相关”方法的非线性效应对FEL时间参数诊断精度的影响，研究中考虑了激光空间分布以及时间分布的影响，并提出了修正非线性因子的方法，此研究内容对于提高FEL的时间诊断精度具有重要作用。此外，利用FLASH实验站上的研究工作，提出了利用“交叉相关”获得的光电子能谱结构表征激光场有效强度的几种方法；以及利用原子的俄歇电子的“交叉相关”方法表征硬X射线FEL的途径。本项目与上海应用物理研究所自由电子激光部密切合作，在上海深紫外自由电子激光装置上开展了新型可调谐、高增益谐波放大自由电子激光（HGHG-FEL）的相干性诊断研究工作，利用“自相关”方法获得了HGHG-FEL的相干性参数；通过与SASE-FEL光谱和自相干模拟结果比较，表明了HGHG-FEL继承了种子激光的时间相干性。并且，我们首次提出了在级联HGHG-FEL可以应用的一种新的辐射光与电子束团作用的诊断方法，并成功应用与我国级联HGHG-FEL的诊断研究，这些研究成果对于我国正在建设的软X射线FEL光源的诊断研究具有重要意义。. 总而言之，本项目按计划研究了国际上最新的自由电子激光“交叉相关”诊断方法，而且结合了我国的自由电子激光发展现状，开展了相关诊断研究。这些模拟和实验方法可以应用于我国正在建设的软X射线自由电子激光项目中，为光源诊断提供强有力的支持。