ความก้าวหน้าเกิดขึ้นในการศึกษาเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่มีความสอดคล้องอย่างสมบูรณ์

ทีมวิจัยเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระของสถาบันวิทยาศาสตร์จีนได้ประสบความสำเร็จในการวิจัยเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่มีความสอดคล้องอย่างสมบูรณ์ โดยอาศัยกลไกใหม่ของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบคาสเคดฮาร์มอนิกเอคโค่ของเซี่ยงไฮ้ที่เสนอขึ้นนั้นได้รับการพิสูจน์แล้ว และได้รังสีเอกซ์อิสระที่มีความสอดคล้องกันแบบคาสเคดฮาร์มอนิกเอคโค่ที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยม เมื่อไม่นานนี้ ผลการวิจัยดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ใน Optica ภายใต้ชื่อ Coherent and ultra-short soft X-ray pulses from echo-enabled harmonic cascade free electron lasers

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอ็กซ์เรย์เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ก้าวหน้าที่สุดแห่งหนึ่งของโลก ปัจจุบันเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอ็กซ์เรย์ระดับนานาชาติส่วนใหญ่ใช้กลไกการแผ่รังสีแบบขยายตัวเอง (SASE) โดย SASE มีความสว่างสูงสุดที่สูงมากและความกว้างพัลส์สั้นระดับเฟมโตและประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมอื่น ๆ แต่การสั่นสะเทือนของ SASE โดยสัญญาณรบกวน ความสอดคล้องและเสถียรภาพของพัลส์รังสีไม่สูง ไม่ใช่ "เลเซอร์" แบนด์เอ็กซ์เรย์ ทิศทางการพัฒนาที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งในสาขาของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระระดับนานาชาติคือการสร้างรังสีเอกซ์ที่มีความสอดคล้องอย่างสมบูรณ์ด้วยคุณภาพเลเซอร์แบบเดิม และวิธีการที่สำคัญคือการใช้กลไกการทำงานของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเมล็ดภายนอก การแผ่รังสีของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเมล็ดภายนอกสืบทอดลักษณะของเลเซอร์เมล็ด และมีลักษณะที่ยอดเยี่ยม เช่น ความสอดคล้องอย่างสมบูรณ์ การควบคุมเฟส และการซิงโครไนซ์ที่แม่นยำกับเลเซอร์ปั๊มภายนอก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดของความยาวคลื่นและความกว้างพัลส์ของเลเซอร์เมล็ดภายนอก การครอบคลุมความยาวคลื่นสั้นและช่วงการปรับความยาวพัลส์ของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเมล็ดภายนอกจึงมีจำกัด เพื่อขยายการครอบคลุมความยาวคลื่นสั้นของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระภายนอกให้มากขึ้น โหมดการทำงานของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระใหม่ๆ เช่น การสร้างฮาร์มอนิกเอคโค่กำลังได้รับการพัฒนาอย่างแข็งขันทั่วโลกในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเมล็ดภายนอกเป็นหนึ่งในเส้นทางเทคนิคหลักในการพัฒนาเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบอัตราขยายสูงในประเทศจีน ปัจจุบัน อุปกรณ์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบอัตราขยายสูงทั้งสี่เครื่องในประเทศจีนได้นำโหมดการทำงานเมล็ดภายนอกมาใช้ โดยอาศัยสิ่งอำนวยความสะดวกเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบอัลตราไวโอเลตลึกเซี่ยงไฮ้และสิ่งอำนวยความสะดวกเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเอ็กซ์เรย์อ่อนเซี่ยงไฮ้ นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการขยายแสงเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเอคโค่ระดับนานาชาติครั้งแรกและการขยายความอิ่มตัวของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเอคโค่อัลตราไวโอเลตแบบเอ็กซ์เรย์สุดขั้วครั้งแรก เพื่อส่งเสริมเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเมล็ดภายนอกให้มีความยาวคลื่นสั้นต่อไป ทีมวิจัยได้เสนอกลไกใหม่ของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบสอดคล้องกันอย่างสมบูรณ์พร้อมคาสเคดฮาร์มอนิกสะท้อน ซึ่งนำมาใช้โดยอุปกรณ์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเอคโค่อ่อนเซี่ยงไฮ้เป็นโครงร่างพื้นฐาน และดำเนินการทั้งหมดให้เสร็จสิ้นตั้งแต่การตรวจสอบหลักการไปจนถึงการขยายแสงในแถบเอ็กซ์เรย์อ่อน ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าเมื่อเทียบกับกลไกการทำงานแบบเมล็ดพันธุ์ภายนอกแบบดั้งเดิม กลไกนี้มีลักษณะสเปกตรัมที่ยอดเยี่ยมมาก โดยอาศัยการนำเอาเทคโนโลยีการวินิจฉัยพัลส์เอ็กซ์เรย์แบบเร็วพิเศษ (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027) ของนักวิจัยที่พัฒนาเทคโนโลยีการวินิจฉัยพัลส์เอ็กซ์เรย์แบบอิสระมาใช้ ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าของกลไกใหม่นี้ในการควบคุมความยาวพัลส์และการสร้างพัลส์แบบเร็วพิเศษยังได้รับการยืนยันเพิ่มเติมอีกด้วย ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องให้แนวทางทางเทคนิคที่เป็นไปได้สำหรับการสร้างเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่มีความสอดคล้องกันอย่างสมบูรณ์ในแถบนาโนเมตร และจะให้เครื่องมือวิจัยที่เหมาะสำหรับสาขาออปติกแบบไม่เชิงเส้นของเอ็กซ์เรย์และเคมีกายภาพที่เร็วพิเศษ

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบคาสเคดฮาร์มอนิกสะท้อนมีประสิทธิภาพสเปกตรัมที่ยอดเยี่ยม: ภาพซ้ายคือโหมดคาสเคดแบบธรรมดา และภาพขวาคือโหมดคาสเคดฮาร์มอนิกสะท้อน

การปรับความยาวพัลส์เอ็กซ์เรย์และการสร้างพัลส์แบบเร็วสามารถทำได้โดยใช้ระบบคาสเคดเอคโคฮาร์มอนิก