光学谐振腔-X射线自由电子激光XFEL

激光器的发明，通过提供强相干可见光变革了光学领域，但将该概念扩展至X射线波段，一直受制于缺少合适的增益介质与反射镜。当前硬X射线自由电子激光（XFEL）设施，通过高峰值电流电子束，在长波荡器中单次通过自放大自发辐射放大散粒噪声，实现了高亮度，但时间与光谱结构呈现噪声较多、多峰分布的局限。

腔基X射线自由电子激光Cavity-based X-ray free-electron laser，CBXFEL，通过在布拉格反射腔内循环光谱滤波后的X射线脉冲，有望实现高重复频率电子束同步。

图1： 实验装置示意图。

图2： 光电二极管信号上升与下降轨迹。

近日，德国电子同步加速器研究所Patrick Rauer等在Nature上发文，实验验证了带有腔内波荡器的X射线腔内激光输出行为。

在欧洲电子同步加速器的X射线自由电子激光XFEL装置上，基于132.8米环形金刚石布拉格反射腔，在6.952 keV能量处，实现了多程增益的激光出射，并与超导加速器的2.23 MHz束团间隔精确匹配。在严格的腔长与角度稳定性要求下，观测到腔内辐射，随连续束团传递出现强度累积上升现象，产生了光谱纯净、微焦耳量级的脉冲。

图3： 光学谐振腔扫描数据。

图4： 光谱轮廓变窄。

图5： 脉冲串内Intra-train强度演化。

该成果证实，腔基X射线自由电子激光CBXFEL在加速器环境中实现的可行性，并验证了金刚石布拉格光学元件，用于X射线谐振腔的适用性。所展示的光谱纯度为下一代要求高相干、稳定光源的X射线科学研究开辟了新道路。

参考文献： 中国光学期刊网

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