중국과학원 자유전자레이저팀은 완전 결맞음 자유전자 레이저 연구에 진전을 이루었습니다. 상하이 소프트 엑스선 자유전자 레이저 시설을 기반으로, 중국이 제안한 에코 하모닉 캐스케이드 자유전자 레이저의 새로운 메커니즘이 성공적으로 검증되었으며, 우수한 성능의 소프트 엑스선 결맞음 복사를 얻었습니다. 최근 해당 연구 결과는 Optica에 "에코 활성화 하모닉 캐스케이드 자유전자 레이저의 결맞음 및 초단 소프트 엑스선 펄스"라는 제목으로 게재되었습니다.
X선 자유 전자 레이저는 세계에서 가장 진보된 광원 중 하나입니다. 현재 대부분의 국제 X선 자유 전자 레이저는 자기 증폭 자발 방출 메커니즘(SASE)을 기반으로 합니다. SASE는 매우 높은 피크 밝기와 펨토급 초단 펄스 폭 등 우수한 성능을 가지고 있지만, 잡음에 의한 진동, 복사 펄스의 간섭성 및 안정성이 낮아 X선 대역의 "레이저"라고 할 수 없습니다. 국제 자유 전자 레이저 분야의 가장 중요한 개발 방향 중 하나는 기존 레이저 품질로 완전히 간섭성 있는 X선 복사를 생성하는 것이며, 중요한 방법은 외부 시드 자유 전자 레이저 작동 메커니즘을 사용하는 것입니다. 외부 시드 자유 전자 레이저의 복사는 시드 레이저의 특성을 그대로 계승하며, 완전한 간섭성, 위상 제어, 외부 펌프 레이저와의 정밀한 동기화 등 우수한 특성을 가지고 있습니다. 그러나 시드 레이저의 파장 및 펄스 폭의 제한으로 인해 외부 시드 자유 전자 레이저의 단파장 커버리지 및 펄스 길이 조절 범위가 제한됩니다. 최근 몇 년 동안 외부 시드 자유 전자 레이저의 단파장 범위를 더욱 확장하기 위해 에코 고조파 생성과 같은 새로운 자유 전자 레이저 작동 모드가 세계적으로 활발히 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 채택했습니다. 상하이 심자외선 자유 전자 레이저 시설과 상하이 소프트 X선 자유 전자 레이저 시설을 기반으로 과학자들은 세계 최초의 에코형 자유 전자 레이저 광 증폭과 세계 최초의 극자외선 에코형 자유 전자 레이저 포화 증폭을 연속적으로 달성했습니다. 외부 시드 자유 전자 레이저를 단파장으로 더욱 발전시키기 위해 연구팀은 에코 고조파 캐스케이드를 갖춘 완전 결맞음 자유 전자 레이저의 새로운 메커니즘을 독자적으로 제안했으며, 상하이 소프트 X선 자유 전자 레이저 장치에 이를 기본 구조로 채택하여 원리 검증부터 소프트 X선 대역의 광 증폭까지 전 과정을 완료했습니다. 연구 결과에 따르면, 기존의 외부 시드형 구동 메커니즘과 비교했을 때, 이 메커니즘은 매우 우수한 분광 특성을 가지고 있으며, 초고속 X선 펄스 진단 기술(https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027)을 독자적으로 개발한 연구진의 연구를 통해 그 성능이 더욱 검증되었습니다. 이 새로운 메커니즘은 펄스 길이 제어 및 초고속 펄스 생성에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 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 하모닉 캐스케이드 자유 전자 레이저는 우수한 스펙트럼 성능을 가지고 있습니다. 왼쪽 이미지는 기존 캐스케이드 모드이고 오른쪽 이미지는 에코 하모닉 캐스케이드 모드입니다.
에코 하모닉 캐스케이드를 통해 X선 펄스 길이 조절 및 초고속 펄스 생성이 실현 가능합니다.
게시 시간: 2023년 10월 8일