近日，上海光源中心自由電子激光團(tuán)隊在X射線自由電子激光振蕩器研究方面取得重要進(jìn)展，理論提出了一種產(chǎn)生渦旋X光的方法。

研究表明，僅僅通過增益失諧的調(diào)節(jié)，X射線自由電子激光振蕩器的輸出就可以從傳統(tǒng)的高斯光變?yōu)闇u旋光。相關(guān)成果以“Generating X-rays with orbital angular momentum in a free-electron laser oscillator”為題，以研究快報形式作為本期封面文章發(fā)表在美國光學(xué)學(xué)會權(quán)威期刊Optica (IF=11.1)，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理所博士研究生黃楠順為論文第一作者，中國科學(xué)院上海高等研究院鄧海嘯研究員為論文通訊作者。這是Optica發(fā)表的第一項X射線自由電子激光物理方面的研究工作。

X射線自由電子激光振蕩器產(chǎn)生全相干渦旋X光示意圖（雜志封面圖片）

渦旋光是一種特殊性質(zhì)的光，其產(chǎn)生、調(diào)控和探測是光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。渦旋光已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域，包括數(shù)據(jù)傳輸、操縱微觀粒子運動和精密測量等。渦旋光的產(chǎn)生通常需要螺旋相位板或全息光柵等難以加工的光學(xué)器件，非常不易，尤其是X射線渦旋光的產(chǎn)生是一個亟待解決的關(guān)鍵問題。自由電子激光是一種基于粒子加速器的先進(jìn)光源，可以產(chǎn)生高亮度，短脈沖的X射線，渦旋光與自由電子激光結(jié)合有望為光子科學(xué)提供新的機(jī)遇。目前，自由電子激光產(chǎn)生渦旋X光的方案需要螺旋波蕩器，并且要工作在調(diào)制激光的高次諧波上，同樣不容易實現(xiàn)。

為了解決這個問題，研究人員提出了一種在X射線自由電子激光振蕩器中產(chǎn)生全相干渦旋光的方法。該方法無需光學(xué)轉(zhuǎn)換元件和螺旋波蕩器，僅僅利用了增益失諧來控制高階橫向模式的增益，從而在傳統(tǒng)X射線自由電子激光振蕩器中自然地產(chǎn)生渦旋光。基于上海硬X射線自由電子激光裝置的模擬結(jié)果顯示，該方法能在1兆赫茲重復(fù)頻率下產(chǎn)生單個脈沖能量為100微焦的渦旋X光束。這是目前全相干渦旋X光的唯一產(chǎn)生方案，對于進(jìn)一步拓展X射線自由電子激光振蕩器研究、開發(fā)新的實驗方法有重要的意義。

 X射線自由電子激光振蕩器中橫向模式的演化。

2008年X射線自由電子激光振蕩器概念提出以來，上海光源中心自由電子激光團(tuán)隊已經(jīng)在X射線自由電子激光振蕩器研究方面取得多項進(jìn)展，持續(xù)推動相關(guān)研究發(fā)展。2012年，提出了X射線自由電子激光振蕩器的諧波運行模式(Physical Review Letters, 108, 034802)，在該模式下，中等能量電子束團(tuán)可以驅(qū)動X射線自由電子激光振蕩器，極大降低了對電子束能量的要求。2018年，提出了增益光導(dǎo)型X射線自由電子激光振蕩器 (Applied Physics Letters, 113, 061106)，在沒有聚焦元件狀態(tài)下，增益自聚焦效應(yīng)可以維持X射線自由電子激光振蕩器的橫向模式，而輸出效率和穩(wěn)定性不受影響。

本項研究得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃項目、中國科學(xué)院和上海市的資助支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.428341