高斯光可以通过增益失谐变成漩涡光

近日，上海光源中心自由电子激光团队在X射线自由电子激光振荡器研究方面取得重要进展，从理论上提出了产生涡旋X射线的方法。研究表明，只要调节增益失谐量，X射线自由电子激光振荡器的输出就可以从传统的高斯光变为涡旋光。相关成果以研究快报的形式发表在美国光学学会权威期刊《光学》上。中国科学院上海应用物理研究所博士生黄南顺为论文第一作者，中国科学院上海高等研究院研究员邓为论文通讯作者。这是《光学》年发表的第一篇关于X射线自由电子激光物理的研究工作。

涡旋光是一种特殊的光，其产生、调节和探测是光学领域的研究热点。涡旋光已被用于许多领域，包括数据传输、微观粒子运动的操纵和精确测量。涡旋光的产生通常需要螺旋相位板或全息光栅等难以加工的光学器件，尤其是X射线涡旋光的产生是一个亟待解决的关键问题。自由电子激光器是基于粒子加速器的先进光源，可以产生高亮度、短脉冲的X射线。涡旋光和自由电子激光的结合有望为光子科学提供新的机遇。目前自由电子激光产生涡旋X射线的方案需要螺旋波荡器，如果工作在调制激光的高次谐波上就不容易实现。

为了解决这个问题，研究人员提出了一种在X射线自由电子激光振荡器中产生全相干涡旋光的方法。该方法不需要光学转换元件和螺旋波荡器，仅利用增益失谐来控制高阶横模的增益，使得传统X射线自由电子激光振荡器中自然产生涡旋光。基于上海硬X射线自由电子激光装置的仿真结果表明，该方法可以在1 MHz重复频率下产生单脉冲能量为100微焦点的涡旋X射线束。这是目前唯一的全相干涡旋X射线的产生方案，对于进一步拓展X射线自由电子激光振荡器的研究和开发新的实验方法具有重要意义。

自2008年X射线自由电子激光振荡器概念提出以来，上海光源中心自由电子激光团队在X射线自由电子激光振荡器的研究方面取得了不少进展，并持续推进相关研发。2012年提出了X射线自由电子激光振荡器的谐波工作模式。在这种模式下，中能电子束群可以驱动X射线自由电子激光振荡器，大大降低了对电子束能量的要求。2018年，提出了增益引导X射线自由电子激光振荡器。没有聚焦元件，增益自聚焦效应可以保持X射线自由电子激光振荡器的横模，而输出效率和稳定性不受影响。

本研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院和上海市重点项目的资助。