中國科學(xué)院上海高等研究院自由電子激光團隊在超快自由電子激光脈沖診斷研究方面取得了進展。該團隊提出并驗證了基于自參考干涉光譜對超快自由電子激光脈沖進行單發(fā)診斷的新方法，為破解阿秒自由電子激光高精度實時診斷的難題提供了全新思路。相關(guān)研究成果以Self-Referenced Spectral Interferometry for Single-Shot Characterization of Ultrashort Free-Electron Laser Pulses為題，發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

探索微觀世界物質(zhì)轉(zhuǎn)化的基本過程，如光電發(fā)射延遲、價電子的運動、電荷的轉(zhuǎn)移等，亟需具有阿秒（10-18秒）級時間分辨能力的先進光源。阿秒光源可以用來觀察和操控原子和分子內(nèi)部的電子運動，這有助于科學(xué)家更深入地探討化學(xué)反應(yīng)、電子結(jié)構(gòu)和分子動力學(xué)，對于材料科學(xué)和化學(xué)研究具有重要意義。近年來，X射線自由電子激光物理和技術(shù)取得了重要突破，已能夠產(chǎn)生具有極高峰值亮度的阿秒X射線脈沖，有望為阿秒科學(xué)研究提供革命性的工具。除了阿秒脈沖的產(chǎn)生，阿秒X射線自由電子激光的完整時域-頻域信息診斷對于超快科學(xué)實驗同樣重要，而如何對這些信息進行高精度實時診斷成為限制阿秒X射線自由電子激光應(yīng)用的瓶頸。針對這一問題，該團隊基于我國自由電子激光大科學(xué)裝置開展了系統(tǒng)的研究工作。

方案布局及阿秒脈沖X射線自由電子激光脈沖的時域-頻域重構(gòu)方法

近年來，直接電場重建的光譜相位干涉測量法（SPIDER）成為超快激光領(lǐng)域快速發(fā)展的脈沖重構(gòu)方法之一。該方法的關(guān)鍵是產(chǎn)生一對具有適當(dāng)光譜剪切量的復(fù)制脈沖。這個過程一般需要使用非線性晶體材料，使得該方法向短波長拓展頗為困難。本研究創(chuàng)新性地提出了利用自由電子激光的頻率牽引效應(yīng)來產(chǎn)生光譜剪切量，且超快輻射脈沖和參考脈沖均由同一個電子束產(chǎn)生，從而巧妙地實現(xiàn)了輻射脈沖的自參考頻譜干涉；通過運用小波變換算法以改進SPIDER，可進一步提高重構(gòu)的信噪比和效率，同時，利用上海軟X射線自由電子激光裝置的參數(shù)，展示了采用這一方法可以準(zhǔn)確地對阿秒X射線脈沖的完整時域-頻域信息進行重構(gòu)（重構(gòu)誤差小于6%）。與傳統(tǒng)自由電子激光裝置中的超快脈沖診斷方法相比，這一方法具有設(shè)備簡單、診斷效率高（實時、單發(fā)）、可同時獲得完整的時域-頻域信息以及輻射脈沖越短診斷精度越高等優(yōu)點，為超快X射線自由電子激光的調(diào)試優(yōu)化以及未來基于X射線自由電子激光的阿秒科學(xué)實驗提供了全新的診斷手段。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金和上海市青年科技啟明星計劃等的支持。