光频梳：精确的光频测量工具
光频梳（Optical frequency comb, OFC）是一种新型的高品质光源，时域为一系列均匀间隔的脉冲序列，频域上由一系列均匀间隔的光谱线组成，类似于梳子的齿。光频梳作为精准的光学频率度量尺，能够将微波频率与光波频率产生紧密联系，已广泛应用于计时、精密光谱学和基础物理学。将这一光源扩展到X射线领域，以实现对原子和分子结构的超高精度探测，一直是科学界的重大挑战。
近期，中国科学院上海高等研究院的研究人员提出了一种创新的理论方法，该方法结合了啁啾拍频激光与自由电子激光技术，以生成可调谐的X射线频率梳（X-ray frequency comb, XFC）。基于上海软X射线自由电子激光装置（Shanghai soft X-ray Free-Electron Laser facility, SXFEL）的参数进行的三维模拟显示，在碳的K边（约284 eV）可以实现约1.5 GW的峰值功率输出，并且光频梳的重复频率可以在7-12 THz范围内连续调节。
文章发表在High Power Laser Science and Engineering 2024年第5期的文章(Lanpeng Ni, Yaozong Xiao, Zheng Qi, Chao Feng, Zhentang Zhao. "Tunable X-ray frequency comb generation at the Shanghai soft X-ray Free-Electron Laser facility." High Power Laser Sci. Eng. 12, 05000e60 (2024))
种子型自由电子激光装置：产生高功率可调谐 X 射线频率梳
该方法的示意图如图1所示，主要包括一个回声增强谐波产生型自由电子激光（Echo-enabled harmonic generation-free electron laser, EEHG-FEL）装置和一个啁啾拍频激光系统。EEHG-FEL装置可以在种子激光的几十次谐波上生成完全相干的XFEL辐射脉冲。啁啾拍频激光系统可以提供初始的种子信号，并在EEHG-FEL装置中用于XFC的生成。整个EEHG-FEL布局中需要两个外部种子激光器（Laser1，Laser2），其中Laser2是专门设计的啁啾拍频种子激光。
图1 装置方案布局图
啁啾拍频激光系统主要包括一对平行光栅（G1，G2）、一个分束镜（Beam splitter, BS）、一个光学延迟线、一个合束镜（Beam combiner, BC）等，如图1(b)所示。超快激光脉冲（约100 fs）首先通过平行光栅来引入线性啁啾和时间展宽。然后啁啾激光脉冲（约ps）通过反射器引入右上方的蓝色线，并由分光镜分成完全相同的两束。其中一束通过光学延迟线引入一个可调的时间延迟，使这两束相同的激光束在合束镜处拍频，形成如图2所示的啁啾拍频激光（Laser2）。
图2 啁啾拍频激光的Wigner分布示意图(a)和包络图(b)
根据EEHG的原理，FEL和种子激光的频率具有如下关系：
（1）
其中，m通常为几十。在XFC的放大过程中，必须考虑并减轻种子激光啁啾的影响。研究人员深入研究了这个问题，并在此提出了一种优化方法：
（2）
通过根据公式2调整两束激光脉冲的线性啁啾和时间延迟，经过傅里叶变换后将出现相同的频率分量，此时XFC脉冲可以被放大。这种调整使我们能够实现与传统锁模激光器相当的效果。为了验证该方法的准确性和有效性，研究人员根据公式2进行了N=1的模拟。XFC功率和光谱的辐射结果如图3所示。峰值功率接近600 MW，中心波长约为4.36 nm，进入水窗区域。显然，已经实现了高效的锁模放大和XFC的生成。
图3 提出的方法的辐射性能。XFC光谱(a)和饱和功率分布(b)
总结与展望
本研究提出了一种利用啁啾拍频激光在EEHG-FEL方案中生成高功率可调谐X射线频率梳的理论方法。该方法克服了传统技术的局限性，验证了在X射线光谱中实现频率梳的可行性。可调谐XFC的实现将显著提高X射线光谱学的能力，促进对物质微观结构的深入研究。高功率XFC还可以用于共振非弹性X射线散射（Resonant inelastic X-ray scattering, RIXS）和太比特级相干光通信的研究领域，探索新物质状态，研究基本相互作用。此外，研究团队正在准备在SXFEL设施中对该方法进行实验验证。啁啾拍频激光系统已经搭建并测试完毕，预计这种方法将显著增强SXFEL服务于光谱学实验能力。
作者简介/团队简介
冯超，中国科学院上海高等研究院研究员，博导，负责国家自然科学基金优青、中科院先导B等项目。2008年获清华大学学士学位，2013年获中国科学院大学博士学位。长期从事我国光源大科学装置研制，并基于这些装置开展全相干光源物理及关键技术研究。现担任上海软X射线自由电子激光装置运行负责人。国际上首次提出回声谐波级联和角色散驱动的储存环全相干光源等新物理机制，以及超快全相干脉冲高精度诊断等关键技术，部分研究成果被我国大科学装置作为基本方案所采用。上述相关工作在Nature photonics、Physical Review Letters、OPTICA、Science Bulletin、Scientific Reports、Journal of Synchrotron Radiation等期刊发表学术论文100余篇，出版英文专著1本。
齐争，中国科学院上海高等研究院高级工程师，长期从事加速器先进光源理论、技术、实验与装置研究，主要研究方向为自由电子激光理论与技术、超快FEL科学与技术等，参与了目前我国多个自由电子激光装置的建设，担任上海软X射线自由电子激光装置调试供光系统负责人，参与中科院基础研究青年团队一项，主持国自然青年基金一项。
倪兰鹏，中国科学院大学上海应用物理研究所博士生，主要研究方向为锁模X射线自由电子激光产生物理机制。
3.百瓦级串联Ho:YAG单晶光纤激光器：实现最高功率与最高斜效率双突破
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