基于fresh-slice的全相干X射線自由電子激光飛秒脈沖產生原理

高張峰 顏佳偉 鄧海嘯 劉 波 王 東

1（中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800）

2（中國科學院大學 北京 100049）

3（中國科學院上海高等研究院 上海 201210）

作為新一代光源的X射線自由電子激光（X-ray Free-Electron Laser，XFEL）具有超高亮度、超短脈沖寬度、光譜可調、以及更優異相干性等一系列優勢，在原子物理、納米材料科學、飛秒化學、生物分子結構等領域具有廣泛的應用［1-5］。世界主要國家和地區都建造或規劃了各自的XFEL裝置。美國的直線加速器相干光源（Linac Coherent Light Source，LCLS）是全世界第一臺運行在硬X射線波段的FEL裝置，日本的SACLA和韓國的PAL-XFEL同樣運行在這一波段，歐洲的European-XFEL則是目前全世界最大的XFEL裝置，我國的硬X射線自由電子激光裝置（Shanghai HIgh repetitioN rate XFEL and Extreme light facility，SHINE）已于2018年投入建設［6-10］。在軟X射線波段，意大利的FERMI和德國的FLASH是運行的軟X射線FEL裝置代表，我國的上海軟X射線自由電子激光裝置（Shanghai soft X-ray Free Electron Laser，SXFEL）正在調試階段，預計2021年開始用戶實驗［11-17］。

上海軟X射線自由電子激光裝置分為兩期建設。一期為試驗裝置，主要實現軟X射線波段FEL出光和相關原理驗證，目前已經完成國家驗收。二期為用戶裝置，用戶裝置基于1.5 GeV能量的C波段電子直線加速器，包括一條運行在2 nm波長的真空內波蕩器自放大自發輻射（Self Amplification of Spontaneous Emission，SASE）線和一條運行在3 nm波長的常規波蕩器seeding線，其中，seeding線分單級EEHG和級聯HGHG兩種運行模式。對于單級EEHG模式，兩段調制段的周期均為80 mm，輻射段的周期為23.5 mm；對于級聯HGHG模式，調制段1的周期為80 mm，輻射段1和調制段2的周期為30 mm，輻射段2的周期為23.5 mm。最后額外裝兩臺周期為30 mm的橢圓極化波蕩器（Elliptically Polarized Undulator，EPU）以獲得圓偏振X光。……