มีความคืบหน้าในการศึกษาเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่มีความสอดคล้องอย่างสมบูรณ์

ทีมวิจัยเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแห่งสถาบันวิทยาศาสตร์จีนได้มีความก้าวหน้าในการวิจัยเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบโคherent อย่างสมบูรณ์ โดยอาศัยศูนย์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอ็กซ์เรย์อ่อนแห่งเซี่ยงไฮ้ กลไกใหม่ของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบฮาร์มอนิกแคสเคดสะท้อนเสียงที่เสนอโดยจีนได้รับการตรวจสอบยืนยันแล้ว และได้รังสีเอ็กซ์อ่อนแบบโคherent ที่มีประสิทธิภาพยอดเยี่ยม เมื่อเร็วๆ นี้ ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Optica ภายใต้ชื่อ "พัลส์เอ็กซ์เรย์อ่อนแบบโคherent และสั้นพิเศษจากเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบฮาร์มอนิกแคสเคดที่เปิดใช้งานการสะท้อนเสียง"

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระรังสีเอ็กซ์เป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดแสงที่ทันสมัยที่สุดในโลก ปัจจุบัน เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระรังสีเอ็กซ์ส่วนใหญ่ในระดับนานาชาติใช้กลไกการปล่อยรังสีแบบเกิดขึ้นเองและขยายตัวเอง (SASE) ซึ่ง SASE มีความสว่างสูงสุดสูงมากและมีความกว้างของพัลส์สั้นมากในระดับเฟมโต รวมถึงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมอื่นๆ แต่ SASE มีการสั่นสะเทือนจากเสียงรบกวน ความสอดคล้องและความเสถียรของพัลส์รังสีไม่สูง จึงไม่ถือว่าเป็น "เลเซอร์" ในย่านรังสีเอ็กซ์ หนึ่งในทิศทางการพัฒนาที่สำคัญที่สุดในด้านเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระในระดับนานาชาติคือการสร้างรังสีเอ็กซ์ที่มีความสอดคล้องอย่างสมบูรณ์ด้วยคุณภาพเลเซอร์แบบดั้งเดิม และวิธีที่สำคัญคือการใช้กลไกการทำงานของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบใช้เมล็ดภายนอก รังสีของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบใช้เมล็ดภายนอกสืบทอดคุณลักษณะของเลเซอร์เมล็ด และมีคุณลักษณะที่ยอดเยี่ยม เช่น ความสอดคล้องอย่างสมบูรณ์ การควบคุมเฟส และการซิงโครไนซ์ที่แม่นยำกับเลเซอร์ปั๊มภายนอก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดของความยาวคลื่นและความกว้างของพัลส์ของเลเซอร์เมล็ด ทำให้ช่วงความยาวคลื่นสั้นและช่วงการปรับความยาวพัลส์ของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบใช้เมล็ดภายนอกมีข้อจำกัด เพื่อขยายขอบเขตการครอบคลุมความยาวคลื่นสั้นของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบใช้เมล็ดภายนอกให้กว้างขึ้น โหมดการทำงานของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบใหม่ๆ เช่น การสร้างฮาร์มอนิกแบบสะท้อนกลับ จึงได้รับการพัฒนาอย่างแข็งขันทั่วโลกในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบใช้เมล็ดภายนอกเป็นหนึ่งในแนวทางทางเทคนิคหลักในการพัฒนาเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่มีกำลังขยายสูงในประเทศจีน ปัจจุบัน อุปกรณ์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่มีกำลังขยายสูงทั้งสี่เครื่องในประเทศจีนใช้โหมดการทำงานแบบใช้เมล็ดภายนอก โดยอาศัยศูนย์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระอัลตราไวโอเลตลึกเซี่ยงไฮ้และศูนย์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอ็กซ์เรย์อ่อนเซี่ยงไฮ้ นักวิทยาศาสตร์ได้ประสบความสำเร็จในการขยายแสงเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเอคโคเป็นครั้งแรกในระดับนานาชาติ และการขยายแสงเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเอคโคในย่านอัลตราไวโอเลตสุดขั้วแบบอิ่มตัวเป็นครั้งแรก เพื่อส่งเสริมเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบใช้เมล็ดภายนอกให้มีความยาวคลื่นสั้นลง ทีมวิจัยได้เสนอแนวคิดกลไกใหม่ของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบโคherent เต็มรูปแบบด้วยการเรียงลำดับฮาร์มอนิกแบบเอคโค ซึ่งถูกนำไปใช้ในอุปกรณ์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเอ็กซ์เรย์อ่อนเซี่ยงไฮ้เป็นพื้นฐาน และดำเนินการครบวงจรตั้งแต่การตรวจสอบหลักการไปจนถึงการขยายแสงในย่านเอ็กซ์เรย์อ่อน ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า เมื่อเปรียบเทียบกับกลไกการทำงานแบบใช้เมล็ดพันธุ์ภายนอกแบบดั้งเดิม กลไกนี้มีคุณสมบัติทางสเปกตรัมที่ยอดเยี่ยมมาก โดยผ่านการนำเทคโนโลยีการวินิจฉัยพัลส์เอ็กซ์เรย์ความเร็วสูงพิเศษที่พัฒนาโดยนักวิจัยอิสระมาใช้ (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027) ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าของกลไกใหม่นี้ในการควบคุมความยาวพัลส์และการสร้างพัลส์ความเร็วสูงพิเศษได้รับการยืนยันเพิ่มเติมแล้ว ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องนี้เป็นแนวทางทางเทคนิคที่เป็นไปได้สำหรับการสร้างเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่มีความสอดคล้องอย่างสมบูรณ์ในย่านความถี่ระดับซับนาโนเมตร และจะเป็นเครื่องมือวิจัยที่เหมาะสมสำหรับสาขาด้านทัศนศาสตร์เชิงไม่เชิงเส้นของเอ็กซ์เรย์และเคมีฟิสิกส์ความเร็วสูงพิเศษ

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบแคสเคดฮาร์มอนิกสะท้อนมีประสิทธิภาพทางสเปกตรัมที่ยอดเยี่ยม: ภาพด้านซ้ายคือโหมดแคสเคดแบบดั้งเดิม และภาพด้านขวาคือโหมดแคสเคดฮาร์มอนิกสะท้อน

การปรับความยาวพัลส์เอ็กซ์เรย์และการสร้างพัลส์ความเร็วสูงพิเศษสามารถทำได้โดยใช้กระบวนการฮาร์มอนิกสะท้อนแบบเรียงลำดับ