중국과학원 자유전자레이저 연구팀은 완전 결맞음 자유전자레이저 연구에서 상당한 진전을 이루었습니다. 상하이 연엑스선 자유전자레이저 시설을 기반으로, 중국에서 제안한 에코 고조파 캐스케이드 자유전자레이저의 새로운 메커니즘을 성공적으로 검증하고, 우수한 성능의 결맞음 연엑스선 펄스를 얻었습니다. 이 연구 결과는 최근 Optica 저널에 "에코 활성화 고조파 캐스케이드 자유전자레이저를 이용한 결맞음 및 초단파 연엑스선 펄스"라는 제목으로 게재되었습니다.
X선 자유 전자 레이저는 세계에서 가장 앞선 광원 중 하나입니다. 현재 대부분의 국제적인 X선 자유 전자 레이저는 자기증폭 자발 방출(SASE) 메커니즘을 기반으로 합니다. SASE는 매우 높은 피크 밝기와 펨토초 수준의 초단펄스 폭 등 우수한 성능을 보이지만, 잡음에 의한 진동, 방사 펄스의 결맞음 및 안정성이 낮아 진정한 X선 대역 "레이저"라고 할 수는 없습니다. 국제 자유 전자 레이저 분야의 가장 중요한 개발 방향 중 하나는 기존 레이저 품질을 유지하면서 완전한 결맞음을 갖는 X선 방사를 생성하는 것이며, 중요한 방법 중 하나는 외부 시드 자유 전자 레이저 작동 메커니즘을 사용하는 것입니다. 외부 시드 자유 전자 레이저의 방사는 시드 레이저의 특성을 계승하여 완전한 결맞음, 위상 제어 및 외부 펌프 레이저와의 정확한 동기화와 같은 우수한 특성을 갖습니다. 그러나 시드 레이저의 파장 및 펄스 폭의 한계로 인해 외부 시드 자유 전자 레이저의 단파장 범위 및 펄스 길이 조정 범위가 제한적입니다. 외부 시드 자유 전자 레이저의 단파장 영역을 더욱 확장하기 위해 최근 전 세계적으로 에코 고조파 발생과 같은 새로운 자유 전자 레이저 작동 모드가 활발하게 개발되고 있습니다.
외부 시드 자유 전자 레이저는 중국에서 고이득 자유 전자 레이저를 개발하는 주요 기술 경로 중 하나입니다. 현재 중국의 4개 고이득 자유 전자 레이저 장치는 모두 외부 시드 작동 모드를 채택하고 있습니다. 상하이 심자외선 자유 전자 레이저 시설과 상하이 연엑스선 자유 전자 레이저 시설을 기반으로, 연구진은 세계 최초로 에코형 자유 전자 레이저 광 증폭과 극자외선 에코형 자유 전자 레이저 포화 증폭을 성공적으로 구현했습니다. 외부 시드 자유 전자 레이저의 단파장 영역 활용을 더욱 발전시키기 위해, 연구팀은 에코 고조파 캐스케이드를 이용한 완전 결맞음 자유 전자 레이저의 새로운 메커니즘을 독자적으로 제안했으며, 이는 상하이 연엑스선 자유 전자 레이저 장치에 기본 설계로 채택되어 원리 검증부터 연엑스선 대역에서의 광 증폭에 이르기까지 전 과정을 완료했습니다. 연구 결과는 기존의 외부 시드 방식 구동 메커니즘과 비교했을 때, 본 메커니즘이 매우 우수한 분광 특성을 나타낸다는 것을 보여줍니다. 연구진이 자체 개발한 초고속 X선 펄스 진단 기술(https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027)을 적용함으로써, 펄스 길이 제어 및 초고속 펄스 생성 측면에서 본 새로운 메커니즘의 우수한 성능이 더욱 검증되었습니다. 관련 연구 결과는 서브나노미터 대역에서 완전 결맞음 자유 전자 레이저를 생성하는 실현 가능한 기술적 경로를 제시하며, X선 비선형 광학 및 초고속 물리화학 분야에 이상적인 연구 도구를 제공할 것입니다.
에코 고조파 캐스케이드 자유 전자 레이저는 탁월한 스펙트럼 성능을 보여줍니다. 왼쪽 이미지는 기존 캐스케이드 모드이고, 오른쪽 이미지는 에코 고조파 캐스케이드 모드입니다.
에코 고조파 캐스케이드를 통해 X선 펄스 길이 조절 및 초고속 펄스 생성이 구현될 수 있습니다.
게시 시간: 2023년 10월 8일