阿秒X射線脈沖產生機制研究獲進展

　　阿秒光源作為研究量子系統亞飛秒尺度電子動力學的關鍵工具，面臨實現高強度孤立X射線脈沖的挑戰。X射線自由電子激光（XFEL）能夠產生超短超強的激光脈沖，是基于電子直線加速器的先進光源。增強型自放大自發輻射是FEL中產生超短脈沖的主流方法，該方法通過增強電子束的局部峰值流強來產生阿秒量級的超快X射線。為實現阿秒X射線與外部泵浦激光精確同步，理想方案是采用超快激光對電子束進行調制，但這一方案的主要問題是調制激光會在主峰旁邊產生多個小峰，嚴重降低阿秒脈沖的信噪比。

　　針對上述問題，中國科學院上海高等研究院研究員馮超團隊聯合上海光學精密機械研究所副研究員黃志遠團隊，提出利用氣壓梯度空芯光纖良好的寬譜傳輸能力與可調控的色散/非線性特性，將多周期中紅外激光壓縮至亞周期尺度，并利用該亞周期激光調制電子束來獲得孤立的電流尖峰，且在波蕩器中實現高信噪比孤立阿秒FEL脈沖的產生。同時，該亞周期激光與阿秒FEL自然同步，為阿秒泵浦-探測提供理想的工具。

　　研究發現，氣壓梯度空芯光纖核心優勢在于通過精確選擇氣體介質與優化氣壓梯度，可實現非線性與色散特性的靈活調控。基于孤子自壓縮效應，激光脈沖在波導反常色散與自相位調制的協同作用下可實現高效壓縮。模擬結果表明，采用氣壓梯度空芯光纖可將中心波長4μm、脈沖能量640μJ、脈沖長度40fs的輸入脈沖壓縮至5.7fs（約0.4個光周期）。

　　同時，研究顯示，氣壓梯度空芯光纖產生的亞周期激光與FEL中電子束發生相互作用，使電子束產生近乎單周期的能量調制，進而產生單尖峰的電流調制。進一步，該電子束被傳輸到FEL放大器中，最終輻射輸出高強度、高信噪比的孤立X射線脈沖，其中心波長為1nm，脈寬約580as，峰值功率達30GW。這種高強度超短脈沖可為價電子動力學探測、光電發射延遲測量以及量子隧穿時間表征等前沿科學研究提供新工具。

　　該研究實現了空芯光纖產生的超強亞周期脈沖與阿秒FEL脈沖自然的時間同步性，可基于X射線自由電子激光大科學裝置構建高精度紅外激光泵浦-阿秒X射線探測實驗平臺，并有望應用于超快科學領域。

　　近期，相關研究成果以Isolated attosecond free-electron laser based on a sub-cycle driver from hollow capillary fibers為題，發表在《超快科學》（Ultrafast Science）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院的支持。