Il team di laser a elettroni liberi dell'Istituto di studi avanzati di Shanghai dell'Accademia cinese delle scienze ha compiuto progressi nella ricerca di laser a elettroni liberi completamente coerenti. Basato sul dispositivo laser a elettroni liberi a raggi X morbidi di Shanghai, il nuovo meccanismo del laser a elettroni liberi a cascata eco-armonico proposto dalla Cina è stato verificato con successo ed è stata ottenuta la radiazione coerente a raggi X morbidi con prestazioni eccellenti. La ricerca pertinente i risultati sono stati recentemente pubblicati su Optica con il titolo Impulsi di raggi X morbidi coerenti e ultra corti da laser a elettroni liberi a cascata armonica abilitati all'eco.
Il laser a elettroni liberi a raggi X è una delle più avanzate installazioni scientifiche al mondo con sorgenti luminose. La stragrande maggioranza dei laser a elettroni liberi a raggi X internazionali si basa sul meccanismo di radiazione spontanea autoamplificante (SASE), SASE ha una luminosità di picco molto elevata e una larghezza di impulso ultra-corta di femtosecondi e altre prestazioni eccellenti, ma SASE dalla vibrazione del rumore , la sua coerenza e stabilità dell'impulso di radiazione non è elevata, non ancora il "laser" della banda dei raggi X. Uno degli sviluppi internazionali più importanti nel campo dei laser a elettroni liberi è la generazione di radiazioni di raggi X completamente coerenti con la qualità del laser convenzionale e un modo importante per farlo è utilizzare un meccanismo operativo del laser a elettroni liberi di tipo seed esterno. La radiazione del laser a elettroni liberi seminato esterno eredita le caratteristiche del laser seme, con caratteristiche eccellenti come la piena coerenza, il controllo di fase e la precisa sincronizzazione con il laser pompato esternamente. Tuttavia, la copertura della lunghezza d'onda corta e l'intervallo di regolazione della lunghezza dell'impulso del laser a elettroni liberi seminato esterno è limitato dalla lunghezza d'onda e dalla larghezza dell'impulso del laser seme. Al fine di estendere ulteriormente la copertura della lunghezza d'onda corta del laser a elettroni liberi del tipo a seme esterno, negli ultimi anni sono state sviluppate vigorosamente a livello internazionale nuove modalità operative del laser a elettroni liberi come la generazione di eco-armoniche.
Il laser a elettroni liberi del tipo a seme esterno è una delle principali vie tecniche per lo sviluppo di laser a elettroni liberi ad alto guadagno in Cina e attualmente tutti e quattro i dispositivi laser a elettroni liberi ad alto guadagno in Cina hanno adottato la modalità di funzionamento del seme esterno. Basandosi sulla Shanghai Deep Ultraviolet Free Electron Laser Unit e sulla Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Unit, gli scienziati hanno ottenuto la prima amplificazione di emissione laser di elettroni liberi di tipo eco al mondo e la prima amplificazione di saturazione laser a elettroni liberi di tipo eco in condizioni estreme banda ultravioletta. Per far avanzare ulteriormente il laser a elettroni liberi del tipo a seme esterno a lunghezze d'onda più corte, il team di ricerca ha proposto in modo indipendente un nuovo meccanismo di laser a elettroni liberi completamente coerente con cascata armonica di eco, che è stato adottato come schema di base dal laser a elettroni liberi a raggi X morbidi di Shanghai dispositivo e completato l'intero processo dalla prova di principio all'amplificazione della luce in uscita della banda dei raggi X morbida. I risultati mostrano che questo nuovo meccanismo ha proprietà spettrali molto superiori rispetto al convenzionale meccanismo operativo di tipo seme esogeno, che è ulteriormente convalidato in termini di controllo della lunghezza dell'impulso e generazione di impulsi ultraveloci utilizzando l'impulso a raggi X ultraveloce sviluppato dai ricercatori tecnica diagnostica (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027). Le prestazioni superiori di questo nuovo meccanismo in termini di controllo della lunghezza dell'impulso e generazione dell'impulso ultraveloce sono state ulteriormente dimostrate dall'uso di una tecnica diagnostica dell'impulso a raggi X ultraveloce sviluppata internamente. I risultati della ricerca forniscono un percorso pratico per generare laser a elettroni liberi completamente coerenti a lunghezze d'onda sub-nanometriche e forniranno strumenti di ricerca ideali per i campi dell'ottica non lineare a raggi X e della fisica ultraveloce.
Sia l'installazione italiana FERMI-FEL che l'installazione SwissFEL in Svizzera stanno attualmente proponendo piani per migliorare ulteriormente le loro prestazioni di radiazione utilizzando questo nuovo meccanismo. Il lavoro di ricerca è stato sostenuto dal National Key Research and Development Program of China, dal National Excellent Youth Fund Program, dalla National Natural Science Foundation of China e dal Shanghai Talent Program.
Laser a elettroni liberi in cascata eco-armonica con eccellenti prestazioni spettrali: modalità a cascata convenzionale a sinistra, modalità a cascata eco-armonica a destra.
Cascata armonica dell'eco per la regolazione della lunghezza dell'impulso dei raggi X e la generazione dell'impulso ultraveloce.
