近日，我所化學反應動力學全國重點實驗室大連光源科學研究室張未卿研究員團隊與深圳先進光源研究院科研團隊合作，在超快軟X射線自由電子激光（FEL）領域取得新進展。研發團隊提出一種基于等離子體的高效啁啾脈沖壓縮方法，從理論和模擬層面證明了該方法可突破傳統技術的效率瓶頸，為實現超高亮度的軟X射線激光超短脈沖輸出提供了新路徑。
高亮度、超快時間尺度（飛秒至阿秒尺度）的X射線激光脈沖是在原子時空維度上觀測物質內部非線性和超快動力學過程的關鍵工具，是當前前沿科學研究不可或缺的手段。自由電子激光作為產生這類超快X射線脈沖的核心裝置，其啁啾脈沖放大（CPA）技術對提升激光峰值功率至關重要。然而，傳統光柵啁啾壓縮器在軟X射線波段的傳輸效率較低，嚴重限制了最終輸出激光的峰值功率。因此，亟需開發一種全新的高效軟X射線脈沖壓縮方法。
針對上述挑戰，研究團隊提出了一種全新的解決方法：利用惰性氣體（如氬離子，Ar??）等離子體作為壓縮介質，以實現超快軟X射線激光輸出。該方法的核心原理是利用軟X射線激光在接近等離子體離子共振頻率時產生的強折射率色散效應，對預先展寬的啁啾脈沖進行精確的色散補償，從而實現時間維度上的壓縮。基于回聲增強諧波產生（EEHG）自由電子激光模型產生的啁啾脈沖，研究團隊開展了系統的模擬分析。結果表明，該方法的傳輸效率超過70%，可將25飛秒的軟X射線脈沖壓縮至1.4飛秒，同時將脈沖峰值功率從23.5吉瓦提升至100吉瓦以上。該方法設計巧妙，與現有自由電子激光設施高度兼容，具備良好的實驗可行性。
相關研究成果以“High-Efficiency Plasma-Based Compressor for Ultrafast Soft X-Ray Free-Electron Lasers”為題，于近日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。該研究工作得到了國家自然科學基金、遼寧省興遼英才計劃、中國科學院B類先導專項“基于極紫外光源的化學反應過渡態精準探測”等項目的資助。（文/圖 張未卿、王明暢）
