[交大智慧]上海交大与SLAC研究团队相对论电子束高次谐波研究获进展

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近日，上海交通大学物理与天文系向导教授与斯坦福直线加速器中心（SLAC）的研究团队合作，利用回声效应将相对论电子束（电子束能量为190 MeV，对应电子速度为0.999996倍光速）作为非线性媒质，成功产生了激光的第75次谐波（新的谐波数记录），相关成果在线发表在《Nature》子刊《Nature Photonics》上，向导教授是文章共同通讯作者。论文题目为：“Echo-enabled harmonics up to the 75th order from precisely tailored electron beams”。  

从激光的发明及随后实验观测到激光倍频现象开始，如何获得更短波长（可至x光波段）的相干光源一直是科学界在积极探索的重要方向。自由电子激光（free-electron laser）是目前唯一能够获得太瓦（TW）峰值功率相干x光的装置，在物理、生物、化学、材料、能源等领域有着广泛的应用。传统自由电子激光依靠自放大自辐射（SASE: Self-amplified spontaneous emission）机制，产生的x光频谱稳定性和时间相干性较差，距离真正意义的激光仍有一步之遥。    

回声（echo）是广泛存在的自然现象，等离子体回声、光子回声、自旋回声、分子旋转回声等在过去几十年里都相继在实验中被证实。利用相对论电子束的回声效应可以将初始激光的调制转化为高次谐波的密度调制，进一步利用该密度调制有望在自由电子激光中产生全相干的x光。  

在该原理验证实验中，研究人员利用2400 nm红外波段的种子激光，借助相对论电子束的回声效应产生了32 nm（即2400 nm种子激光的第75次谐波）的全相干极紫外光。目前各国正在运行或兴建的外种子型自由电子激光大科学装置一般采用紫外激光（约270 nm）作为种子激光，利用回声谐波技术有望直接产生水窗波段的全相干软x射线；该工作预期将对这类大科学装置的性能提升产生重要影响。    

该工作获得了科技部青年973课题（No. 2015CB859700）和自然科学基金委重大科研仪器研制专项（No. 11327902）的资助。    

文章链接 ： http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2016.101.html