yy.vip易游-提升X射线自由电子激光的相干性

　　YYVIP易游·(中国有限公司)官方网站-X射线自由电子激光(XFEL)可产生埃米波长的飞秒和阿秒脉冲，使直接观测超快结构与电子动力学成为可能。XFEL目前还缺少一种对于精密光学科学十分重要的特性——时域稳定的相位相干性。大多数XFEL采用自放大自发辐射(SASE)模式，其辐射源于电子束中的微观散粒噪声。该模式虽能产生极高亮度的脉冲，但脉冲的时域特性在不同脉冲间随机涨落，限制了其在相位敏感测量中的应用，如精密计量、干涉测量和超快光谱。来自瑞士保罗谢勒研究所和苏黎世联邦理工学院的Wenxiang Hu及其团队报告了一项期待已久的关于SASE的进展——首次通过实验实现了“锁模”的XFEL。

　　锁模X射线自由电子激光(XFEL)。在调制器部分，一束外部激光将周期性的能量调制施加于输入的电子束上。紧随其后的16个单元，每个单元包含一个束团压缩器和一个波荡器，最终输出阿秒脉冲串

　　在传统激光器中，腔内共振模式被称为纵模，它们之间的频率间隔相等。锁模技术旨在锁定各纵模之间的相位关系。如果没有锁模，这些模式将各自独立振荡，它们相位的随机叠加会导致光发射在时间上呈现噪声一样的随机变化。锁模会同步这些模式的相位，从而使模式间的叠加周期性增强，产生周期性重复的超短脉冲。这一原理是现代光学从飞秒光谱学到光学频率梳多个领域的基石。

　　然而，XFEL没有实体谐振腔，因此不存在基于谐振腔定义的纵模。它让电子束团一次性穿过一系列波荡器，同时发射X射线辐射。研究表明，通过在波荡器模块之间插入束团压缩器，可以在放大级之间引入固定的时间延迟，从而定义出一系列梳状的频率分布(有时被称为“合成”的纵模)。

　　Hu及其合作者将磁压缩器与调制器相结合，使用激光器以等于纵模间距的频率对电子束能量进行调制(如图所示)。随后发射出的X射线在固定的相位关系下被放大。产生的脉冲在时域上是结构化的阿秒脉冲串，脉冲间隔为数飞秒；在频域上呈现高对比度的频率梳结构，且具备良好的可重复性。

　　这个实验显示了尽管辐射起始于对噪声的放大，却可以实现相位相干性。激光还应具有光子统计特性，它由二阶关联函数g2(τ)表征，量化光的强度(或光子数)的涨落。其中，零延时处的值g2(0)最为重要，它测量的是多个光子在同一时刻到达的概率。一个理想的单模激光器g2(0)=1，对应着泊松光子统计，即光子彼此独立，没有聚束的倾向。在德国的FLASH和韩国的PAL-XFEL上的测量表明，SASE XFEL的g2(0)值显著大于1。由于目前的锁模方案仍是基于SASE，因此其光子统计特性预计仍是非泊松的。

　　如果将SASE-XFEL与外部种子注入的自由电子激光进行对比，后者从种子激光中获取相干性，从而实现了光谱纯度和重复性都极为出色的脉冲。在意大利FERMI 的 DiProI光束线上，光子相关性实验测得g2(0)≈1，证明其接近激光的光子统计特性。在要求激光具有严格量子光学相干性的应用中，锁模SASE-XFEL无法替代种子注入型的自由电子激光。然而，后者仅能覆盖线 nm)，因此，XFEL提供了一种在更短波长上的方案。Hu展示的正是2. 5 nm短波长的软X射线。

　　相位锁定的阿秒X射线脉冲串的出现，使诸如Ramsey型干涉测量这类在光学物理中已很成熟的强大且精密的光谱技术，可能在X射线波长范围内实现。更宽泛地说，这项工作带来了概念上的转变：XFEL不再局限于产生“尽可能短的脉冲”，而是开始提供可剪裁的X射线波形，从而驱动原子、固体及低密度物质沿着特定的量子路径演化。

　　正如光学频率梳重塑了精密光谱学一样，X射线频率梳同样可能彻底改变我们在物质最基础的尺度上对其进行探测乃至操控的方式。

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