ความก้าวหน้าเกิดขึ้นในการศึกษาเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบสหสัมพันธ์อย่างสมบูรณ์

ทีมวิจัยเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน (CAS) ได้มีความก้าวหน้าในการวิจัยเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบโคฮีเรนต์อย่างสมบูรณ์ โดยอาศัยกลไกใหม่ของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบคาสเคดฮาร์มอนิกสะท้อนที่พัฒนาโดยจีน ซึ่งอาศัยศูนย์วิจัยเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบคาสเคดฮาร์มอนิกสะท้อนที่เซี่ยงไฮ้ และได้รับการตรวจสอบแล้ว และได้รังสีเอกซ์อิสระแบบคาสเคดฮาร์มอนิกสะท้อนที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยม เมื่อไม่นานมานี้ ผลการวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Optica ภายใต้หัวข้อ Coherent and ultra-short soft X-ray pulses from echo-enabled harmonic cascade free electron lasers

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระรังสีเอกซ์เป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดแสงที่ทันสมัยที่สุดในโลก ปัจจุบันเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระรังสีเอกซ์ระดับนานาชาติส่วนใหญ่ใช้กลไกการแผ่รังสีแบบขยายตัวเอง (SASE) ซึ่ง SASE มีความสว่างสูงสุดที่สูงมาก ความกว้างพัลส์สั้นพิเศษระดับเฟมโต และประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมอื่นๆ แต่เนื่องจากการสั่นสะเทือนของ SASE จากสัญญาณรบกวน ความสอดคล้องและเสถียรภาพของพัลส์รังสียังไม่สูง จึงไม่ใช่ "เลเซอร์" ของย่านความถี่รังสีเอกซ์ หนึ่งในทิศทางการพัฒนาที่สำคัญที่สุดของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระระดับนานาชาติคือการสร้างรังสีเอกซ์ที่มีความสอดคล้องอย่างสมบูรณ์ด้วยคุณภาพเลเซอร์แบบเดิม และที่สำคัญคือการใช้กลไกการทำงานของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเมล็ดภายนอก รังสีของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเมล็ดภายนอกสืบทอดคุณลักษณะของเลเซอร์เมล็ด และมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น ความสอดคล้องอย่างสมบูรณ์ การควบคุมเฟส และการซิงโครไนซ์ที่แม่นยำกับเลเซอร์ปั๊มภายนอก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดของความยาวคลื่นและความกว้างพัลส์ของเลเซอร์เมล็ดภายนอก ขอบเขตการครอบคลุมความยาวคลื่นสั้นและช่วงการปรับความยาวพัลส์ของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเมล็ดภายนอกจึงมีข้อจำกัด เพื่อขยายการครอบคลุมความยาวคลื่นสั้นของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระภายนอกต่อไป โหมดการทำงานของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระใหม่ๆ เช่น การสร้างฮาร์มอนิกสะท้อนจึงได้รับการพัฒนาอย่างแข็งขันทั่วโลกในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเมล็ดภายนอก (External seed free electron laser) เป็นหนึ่งในเส้นทางเทคนิคหลักในการพัฒนาเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบอัตราขยายสูงในประเทศจีน ปัจจุบัน อุปกรณ์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบอัตราขยายสูงทั้งสี่เครื่องในประเทศจีนได้นำโหมดการทำงานแบบเมล็ดภายนอกมาใช้แล้ว นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการขยายแสงเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบสะท้อนความถี่สูงระดับนานาชาติเป็นครั้งแรก และการขยายแสงเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบสะท้อนความถี่สูงระดับสูงสุดเป็นครั้งแรก โดยอาศัยศูนย์วิจัย Shanghai Deep Ultraviolet Free Electron Laser Facility (Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Facility) เพื่อส่งเสริมการพัฒนาเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบเมล็ดภายนอกให้มีความยาวคลื่นสั้นยิ่งขึ้น ทีมวิจัยจึงได้เสนอกลไกใหม่ของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบโคฮีเรนต์เต็มรูปแบบพร้อมลำดับเบสแบบสะท้อนฮาร์มอนิก ซึ่งอุปกรณ์ Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Facility (Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Facility) ได้นำระบบนี้มาใช้เป็นพื้นฐาน และได้ดำเนินการทั้งหมดเสร็จสิ้นตั้งแต่การตรวจสอบหลักการไปจนถึงการขยายแสงในแถบรังสีเอกซ์อ่อน ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าเมื่อเทียบกับกลไกการทำงานแบบเมล็ดภายนอกแบบดั้งเดิม กลไกนี้มีคุณลักษณะสเปกตรัมที่ยอดเยี่ยมมาก ผ่านการนำเอาเทคโนโลยีวินิจฉัยพัลส์เอ็กซ์เรย์ความเร็วสูงพิเศษ (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027) มาใช้ กลไกใหม่นี้มีประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในการควบคุมความยาวพัลส์และการสร้างพัลส์ความเร็วสูงพิเศษ ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องนี้นำเสนอแนวทางทางเทคนิคที่เป็นไปได้สำหรับการสร้างเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่มีความสอดคล้องกันอย่างสมบูรณ์ในย่านความถี่ต่ำกว่านาโนเมตร และจะเป็นเครื่องมือวิจัยที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับสาขาทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้นของรังสีเอกซ์และเคมีฟิสิกส์ความเร็วสูงพิเศษ

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบคาสเคดฮาร์มอนิกสะท้อนมีประสิทธิภาพสเปกตรัมที่ยอดเยี่ยม: ภาพด้านซ้ายคือโหมดคาสเคดแบบธรรมดา และภาพด้านขวาคือโหมดคาสเคดฮาร์มอนิกสะท้อน

การปรับความยาวพัลส์เอ็กซ์เรย์และการสร้างพัลส์แบบเร็วพิเศษสามารถทำได้โดยใช้ระบบสะท้อนฮาร์มอนิกคาสเคด