斯坦福大学：TW级阿秒X射线脉冲，峰值功率提升一个数量级！

高功率、短脉冲持续时间的阿秒X射线脉冲是实现超快非线性光谱学和X射线衍射成像的关键。美国斯坦福大学的研究团队使用级联的两级X射线自由电子激光器输出了分立的阿秒脉冲，与现有报道相比，脉冲平均的峰值功率提升一个数量级，最大峰值功率达到1.1 TW，能量中位数超过100 μJ；该研究还提供了X射线领域中类孤子超辐射行为的有力证据。相关研究成果以“Terawatt-scale attosecond X-ray pulses from a cascaded superradiant free-electron laser”为题发表于Nature Photonics。

高能激光推动了许多新研究领域的发展，包括强场物理学、阿秒光谱学和激光粒子加速器。在各种激光中，X射线在医学诊断、工业探伤、安全检查和科学研究等领域有广泛应用。与其他产生X射线的技术相比，X射线自由电子激光器(X-ray free-electron laser，XFEL)能将X射线的峰值功率提高几个数量级，从而将X射线的应用推广至需要高功率的非线性光谱学领域和单粒子衍射成像领域。近期成功实现的阿秒XFEL更是阿秒科学技术的一个重大成就，与台式X射线源相比，将可用峰值功率提高了超过6个数量级。

利用集体不稳定性，自由电子激光器能获得比自发辐射能级高出许多数量级的脉冲能量，这种不稳定性是由相对论电子束和磁波荡器中的辐射场的持续相互作用引起的。在硬X射线（波长约为0.01 nm～0.1 nm）范围，FEL由束团压缩和后饱和锥化技术实现。在软X射线（波长约为0.1 nm～10 nm）范围，FEL由级联fresh-slice技术实现。最近，有报道使用增强自放大自发辐射(enhanced self-amplified spontaneous emission，ESASE)方法产生了峰值功率为100 GW的阿秒脉冲。

该研究团队使用基于XFEL的两级放大系统，将直线加速器相干光源输出的软X射线阿秒脉冲放大至TW级别，与已报道的结果相比提升了一个数量级。实验装置如图1所示，基于ESASE方法，对光电阴极发射器进行调制来获得一个含有高电流尖峰的电子束，并用于产生阿秒X射线脉冲，该初始脉冲位于电子束尖峰的前沿，如图1左上角插图所示。当XFEL达到饱和状态后，电子束相对于X射线被磁压缩器延迟，然后脉冲与没有被ESASE调制或FEL激光改变的电子束（fresh slice）进行相互作用。最后，使用第二个磁波荡器通过阿秒脉冲与fresh slice的相互作用进一步放大X射线。

图1 实验装置图；插图显示了纵向相空间(电子的时间-能量图，绿色)、电流剖面图(蓝色)和一级放大产生的辐射(紫色)。XTCAV，X波段横向腔；cVMI，共轴快速映射成像系统；FZP，菲涅耳波带板光谱仪

磁压缩器是一种色散装置，其中电子的路径长度与它们的能量呈线性关系。这种纵向色散与电子的能量扩散相结合，导致粒子沿着它们的运动方向扩散超过一个辐射波长。因此，一级放大中产生的微束在经历压缩器后被强烈抑制，并且二级放大中ESASE电流尖峰不会释放新的大量辐射。所以，二级放大主要放大了初始阿秒脉冲。实验参数为电子束能量4.5 GeV，光子能量870 eV。图2（a）和图2（b）展示了经过一级放大和二级放大后电子的时间-能量分布情况，二级放大后平均脉冲能量提升了约3倍，并且峰值能量超过400 μJ；其中图2（b）红框表明电子在第二级放大中将能量转移给了X射线。

图2 （a）一级放大的被测电子束时间-能量分布(电子束头在t > 0处)；（b）二级放大的电子束时间-能量分布，红框为二级放大导致的电子能量损失的区域

所有阿秒脉冲都是从噪声的基础上建立的，所以每个脉冲都具有不同的光谱和时域特性，研究人员进行了更详细的探究。光谱方面，他们使用菲涅耳波带板光谱仪，测量不同等效波荡器长度下的单个脉冲光谱，发现这些光谱即使经过二级放大后仍保持光滑的波形，说明脉冲仍保持单峰状态。时域方面，测量角向条纹并表征脉冲的时域波形，如图1所示，将X射线脉冲与圆偏振红外激光脉冲重叠，被X射线脉冲电离的光电子会在与红外激光的矢量势相反的方向上产生条纹。因为激光的电场随时间旋转，所以光电子的动量分布由电子发射的时间确定，进而建立了发射时间和光电子动量分布的角向模式的关系。使用共轴快速映射成像光谱仪测量了光电子动量的分布，基于该分布和光谱结果可以重建阿秒脉冲的时域波形。图3（a）展示了脉冲持续时间的分布情况，中位数为440 as。最后，使用气体监测探测器测量脉冲能量，计算得到图3（b）所示脉冲峰值功率与脉冲持续时间的散点图，三种配置对应不同的电子束聚焦条件、波荡器锥化情况和磁压缩器延迟情况。三种配置获得的平均脉冲能量分别为150、200和260 µJ，最大峰值功率达到1.1 TW。

图3 （a）脉冲持续时间的半高全宽（FWHM）的分布直方图；（b）峰值功率与脉冲持续时间的对应散点图

另外，该研究还首次在X射线波段观测到了类孤子的超辐射现象，这表现为一种放大过程中持续的脉冲缩短现象。它由电子和辐射之间的强相互作用引起，能量快速从电子转移到X射线脉冲的头部，再从脉冲尾部转移回到电子。通过深入研究该现象，有望通过延长超辐射放大过程和利用类孤子模式下脉冲缩短的优势，进一步实现更短持续时间和更高峰值功率的X射线脉冲。