中国科学院上海高等研究院和中国科学院上海应用物理研究所自由电子激光团队在外种子自由电子激光方面获重要进展，提出了一种相干能量调制的自放大机制，并且基于上海软X射线自由电子激光装置，完成了实验验证。研究表明，这种新机制可以极大降低外种子自由电子激光对外种子激光的功率需求，解决了外种子自由电子激光通往高重复频率运行的关键问题。相关成果近日发表于《物理评论快报》。

自由电子激光利用相对论电子束产生具有极高亮度的飞秒至阿秒级X射线脉冲，目前已经成为原子分子物理，材料科学和生命科学等许多领域的关键工具。外种子自由电子激光利用外部种子激光对电子束团引入相干能量调制，从而产生高稳定性、全相干的自由电子激光脉冲。然而，现有运行模式对种子激光的性能需求，尤其是高峰值功率需求，成为了外种子自由电子激光通往高重复频率运行的瓶颈。

在这项工作中，研究人员提出利用电子束团的自调制来放大初始的相干能量调制，从而将外部种子激光的峰值功率需求放松1~2个量级。同时，利用上海软X射线自由电子激光装置已经具备的硬件条件，成功演示了对种子激光峰值功率需求10~25倍的放松。实验中，266纳米种子激光仅仅引入了1.8倍切片能散的能量调制，通过自放大，实现了单级HGHG在种子激光的7次谐波放大出光，两级级联HGHG在种子激光的30次谐波放大出光。这是目前国际上“工作谐波数/激光调制幅度”效率最高的外种子自由电子激光放大结果。该结果为兆赫兹级重复频率的外种子自由电子激光铺平了道路，有望为时间分辨谱学和极紫外光刻等技术带来新的突破。

“自放大机制在上海软X射线自由电子激光装置的成功实验运行，对当前及未来自由电子激光等大科学装置发展具有重要意义和实用价值。”中国工程院院士、论文共同通讯作者赵振堂告诉《中国科学报》，目前国际上，European XFEL、LCLS-II、SHINE等一批超导加速器驱动的高重复频率自由电子激光装置正在先后建设或投入运行，自放大机制可以成为连续波超导加速器驱动的下一代外种子型光源的标准模式，除此之外，自放大机制在提升外种子自由电子激光稳定性、拓展工作波长及超快脉冲产生等方面有着潜在的重要应用前景。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.084801