[论文解读] Scientific Opportunities with an X-ray Free-Electron Laser Oscillator

Bernhard W. Adams, G. Aeppli+48 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 8被引用 17

一句话总结

本文提出了一种X射线自由电子激光振荡器（XFELO），作为全相干、带宽窄（meV量级）、时间脉冲宽度为皮秒量级的X射线脉冲的新光源。通过采用低增益、基于腔体的放大方案，并使用金刚石布拉格反射镜，XFELO的光谱亮度比SASE FEL高出三个数量级，从而为精密光谱学和量子材料研究开辟了新机遇。

ABSTRACT

An X-ray free-electron laser oscillator (XFELO) is a new type of hard X-ray source that would produce fully coherent pulses with meV bandwidth and stable intensity. The XFELO complements existing sources based on self-amplified spontaneous emission (SASE) from high-gain X-ray free-electron lasers (XFEL) that produce ultra-short pulses with broad-band chaotic spectra. This report is based on discussions of scientific opportunities enabled by an XFELO during a workshop held at SLAC on June 29 - July 1, 2016

研究动机与目标

• 探索XFELO作为现有基于SASE的X射线FEL的补充光源的科学潜力。
• 通过实现全相干、光谱稳定的X射线脉冲，解决SASE FEL存在的光谱混沌和强度波动问题。
• 证明在相同重复频率下，XFELO的光谱亮度可比SASE FEL高出三个数量级。
• 实现对量子材料、穆斯堡尔谱学以及需要高光谱和时间相干性的超快动力学研究的新实验。
• 基于SLAC（2016年）研讨会及近期在束流动力学与晶体光学方面的进展，建立技术可行性与科学影响的路线图。

提出的方法

• 采用低增益、基于腔体的放大方案，使X射线脉冲在由高反射率金刚石晶体布拉格反射镜构成的谐振腔内循环。
• 利用超导电子直线加速器（例如：8 GeV，1 MHz）产生电子束团，使其在波荡器中逐次放大腔内X射线脉冲。
• 通过调节布拉格角和晶体位置，保持腔往返时间稳定，实现约5%范围内的连续光子能量调谐。
• 在14.4 keV波段实现约3 meV（FWHM）的光谱展宽，接近约680 fs（FWHM）的变换极限脉冲持续时间。
• 利用输出脉冲的高光谱亮度（最高达2.6×10²⁸ ph/(s mm² mrad² 0.1% BW)）以及完全的横向和时间相干性。
• 将XFELO集成至现有XFEL设施（如LCLS-II-HE、欧洲XFEL）中，作为分支以拓展其科学能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 XFELO如何克服SASE FEL的光谱非相干性和强度波动，从而实现精密光谱学？
• RQ2 在XFELO脉冲实现全相干、光谱带宽窄（meV量级）且时间稳定的前提下，哪些科学实验成为可能？
• RQ3 XFELO的光谱亮度在多大程度上可超越SASE FEL？这对需要高光谱通量的实验有何影响？
• RQ4 实现XFELO的技术要求和可行性阈值是什么，特别是金刚石晶体在高腔内功率密度下的生存能力？
• RQ5 如何将XFELO集成至现有XFEL设施中，以实现与SASE运行共存并拓展其科学能力？

主要发现

• 在14.4 keV波段，XFELO每脉冲产生约1×10¹⁰个光子，光谱带宽为3 meV（FWHM），平均光谱通量达约3×10¹⁵ photons/sec/meV。
• XFELO的平均光谱亮度达到2.6×10²⁸ ph/(s mm² mrad² 0.1% BW)，在相同重复频率下比SASE FEL高出三个数量级。
• XFELO的峰值光谱亮度为3.8×10³⁴ ph/(s mm² mrad² 0.1% BW)，尽管峰值光子数较低，但仍比SASE高出一个数量级。
• XFELO脉冲持续时间为约680 fs（FWHM），对应于变换极限、时间相干的脉冲，光谱峰态极小。
• XFELO的光谱分辨率（3 meV）比第三代同步辐射光源窄四个数量级，可实现对穆斯堡尔共振的高分辨探测。
• 近期实验已证明金刚石晶体可在高腔内X射线功率密度下保持稳定，验证了XFELO实现的关键技术障碍已被突破。