光頻梳：精確的光頻測量工具

光頻梳(Optical frequency comb, OFC)是一種新型的高品質光源，時域為一系列均勻間隔的脈沖序列，頻域上由一系列均勻間隔的光譜線組成，類似于梳子的齒。光頻梳作為精準的光學頻率度量尺，能夠將微波頻率與光波頻率產生緊密聯系，已廣泛應用于計時、精密光譜學和基礎物理學。將這一光源擴展到X射線領域，以實現對原子和分子結構的超高精度探測，一直是科學界的重大挑戰。

近期，中國科學院上海高等研究院的研究人員提出了一種創新的理論方法，該方法結合了啁啾拍頻激光與自由電子激光技術，以生成可調諧的X射線頻率梳(X-ray frequency comb, XFC)。基于上海軟X射線自由電子激光裝置(Shanghai soft X-ray Free-Electron Laser facility, SXFEL)的參數進行的三維模擬顯示，在碳的K邊(約284 eV)可以實現約1.5 GW的峰值功率輸出，并且光頻梳的重復頻率可以在7-12 THz范圍內連續調節。

文章發表在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))

種子型自由電子激光裝置：產生高功率可調諧 X 射線頻率梳

該方法的示意圖如圖1所示，主要包括一個回聲增強諧波產生型自由電子激光(Echo-enabled harmonic generation-free electron laser, EEHG-FEL)裝置和一個啁啾拍頻激光系統。EEHG-FEL裝置可以在種子激光的幾十次諧波上生成完全相干的XFEL輻射脈沖。啁啾拍頻激光系統可以提供初始的種子信號，并在EEHG-FEL裝置中用于XFC的生成。整個EEHG-FEL布局中需要兩個外部種子激光器(Laser1，Laser2)，其中Laser2是專門設計的啁啾拍頻種子激光。

圖1 裝置方案布局圖

啁啾拍頻激光系統主要包括一對平行光柵(G1，G2)、一個分束鏡(Beam splitter, BS)、一個光學延遲線、一個合束鏡(Beam combiner, BC)等，如圖1(b)所示。超快激光脈沖(約100 fs)首先通過平行光柵來引入線性啁啾和時間展寬。然后啁啾激光脈沖(約ps)通過反射器引入右上方的藍色線，并由分光鏡分成完全相同的兩束。其中一束通過光學延遲線引入一個可調的時間延遲，使這兩束相同的激光束在合束鏡處拍頻，形成如圖2所示的啁啾拍頻激光(Laser2)。

圖2 啁啾拍頻激光的Wigner分布示意圖(a)和包絡圖(b)

根據EEHG的原理，FEL和種子激光的頻率具有如下關系：

其中，m通常為幾十。在XFC的放大過程中，必須考慮并減輕種子激光啁啾的影響。研究人員深入研究了這個問題，并在此提出了一種優化方法：

其中，τ是相對時間延遲，μ是啁啾，N是任何自然數(N')加上不超過1/2的任何正分數(P)，XFC的重復頻率(frep)為：

通過根據公式2調整兩束激光脈沖的線性啁啾和時間延遲，經過傅里葉變換后將出現相同的頻率分量，此時XFC脈沖可以被放大。這種調整使我們能夠實現與傳統鎖模激光器相當的效果。為了驗證該方法的準確性和有效性，研究人員根據公式2進行了N=1的模擬。XFC功率和光譜的輻射結果如圖3所示。峰值功率接近600 MW，中心波長約為4.36 nm，進入水窗區域。顯然，已經實現了高效的鎖模放大和XFC的生成。

圖3 提出的方法的輻射性能。XFC光譜(a)和飽和功率分布(b)

總結與展望

本研究提出了一種利用啁啾拍頻激光在EEHG-FEL方案中生成高功率可調諧X射線頻率梳的理論方法。該方法克服了傳統技術的局限性，驗證了在X射線光譜中實現頻率梳的可行性。可調諧XFC的實現將顯著提高X射線光譜學的能力，促進對物質微觀結構的深入研究。高功率XFC還可以用于共振非彈性X射線散射(Resonant inelastic X-ray scattering, RIXS)和太比特級相干光通信的研究領域，探索新物質狀態，研究基本相互作用。此外，研究團隊正在準備在SXFEL設施中對該方法進行實驗驗證。啁啾拍頻激光系統已經搭建并測試完畢，預計這種方法將顯著增強SXFEL服務于光譜學實驗能力。