“双剑合璧”：双色X射线激光提供新探针

本研究课题提出了在 SXFEL 装置上、基于 EEHG产生双色 FEL 的新方案，利用双色双脉冲的种子激光系统，采用 EEHG 运行模式，产生软 X 射线波段的全相干双色 FEL，基本布局如图1中所示。在该方案中，由于所用种子激光包含两个中心波长不同的脉冲，因此最终通过EEHG产生的也是两个中心波长不同的软X射线FEL脉冲，也即产生了双色FEL。

图1 双色FEL方案基本布局

双色双脉冲种子激光是该方案的关键核心技术之一，其设计如下图2所示，基本方案是将 800 nm 常规激光分到两路三倍频系统，通过调节两路三倍频中 BBO 晶体的角度来独立调节输出紫外激光的中心波长，并且在一路三倍频系统中加入可调的时间延迟机构，之后将两路紫外激光合束，得到实验所需的双色双脉冲种子激光。

图2 双色双脉冲种子激光系统

研究团队首先搭建了该种子激光系统，测试了两路三倍频产生紫外激光脉冲的能力，给出了三倍频的转换效率，同时测试了种子激光的中心波长如图3（a）中所示，得到了中心波长分别为 264.85 nm 和 266.28 nm的双色种子激光，在图3（b）中还展示了双脉冲种子激光的时间延迟，采用互相关法测量了双脉冲激光的脉宽以及时间间隔，单个紫外激光的脉冲宽度均为 170 fs，两个脉冲之间的时间间隔约为2 ps，通过调节光契角对，可以在 0-1 ps 之间连续改变两束紫外光的时间间隔。

图3 双色双脉冲种子激光光谱（a）与脉冲时间延迟（b）测试结果

最后，根据 SXFEL 装置的实际束流参数，利用该双色双脉冲种子激光，进行了三维的 FEL 数值模拟，模拟结果表明，最终可以获得中心波长分别为 5.884 nm 和 5.894 nm、峰值功率约 300 MW的全相干软 X 射线双色 FEL 辐射脉冲，如图4中所示。

图4 全相干软X射线双色FEL功率（a）和光谱（b）