《全相干自由电子激光的前沿实验研究与新原理探索》

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该项目属于粒子加速器学科自由电子激光领域。发展高亮度、时空全相干的X射线自由电子激光,不仅是粒子加速器学科面临的重要挑战,而且是物理化学、结构生物学等前沿领域的内在需求,尤其是在飞秒级动态过程的时间分辨、单分子三维成像等方面具有重要意义。该项目针对全相干自由电子激光的倍频效率和波长调谐等关键科学问题开展了系统的实验研究和理论探索:通过独创的高分辨手段,实现了回声谐波自由电子激光等原理的实验验证;在此基础上,提出了相位汇聚自由电子激光等全相干新原理。该项目研究在国际上获得了广泛关注和高度评价。其关键科技发现如下:首次实现回声谐波自由电子激光的放大出光。提出并实现了基于波荡器相干辐射的电子束诊断方法,将测量精度从10keV提高到1keV;在此基础上设计了回声谐波自由电子激光实验方案,实验演示了回声谐波自由电子激光束流调制、放大出光、时间相干性,从而首次验证了回声谐波自由电子激光重要原理,同时发现其窄带宽和波长稳定的卓越特性。实验结果以封面文章形式发表在NaturePhotonics,同期刊登了题为《Towards full-coherence FELs》的该项目负责人专访。首次实现种子型自由电子激光的两级级联输出和波长大范围调谐。设计了种子型自由电子激光的级联实验方案,首次实验证实了“电子束团刷新”理论、并完成种子型自由电子激光的两级级联出光。通过光学参量放大以及波荡器调谐相结合,在保证自由电子激光的时间和空间相干性的条件下,将种子型自由电子激光波长的调谐范围从之前的±0.37%提高到±100%,首次实验证实了波长大范围可调谐全相干自由电子激光的可行性。提出中能X射线自由电子激光以及相位汇聚自由电子激光等新原理。结合谐波运行原理与X射线自由电子激光谐振腔,提出了3-4GeV能量电子束团驱动的中能X射线自由电子激光原理(Phys. Rev.Lett. 2012);相位汇聚自由电子激光通过对电子时间空间运动的耦合,原理上克服了全相干倍频效率的制约因素,倍频效率达到理论极限(Phys. Rev. Lett. 2013),刷新了人们对自由电子激光倍频的理解和认识。该项目取得了一批具有重要科学价值、部分达到国际领先水平的原创性成果,对全相干X射线光源的发展和促进具有重要意义及可能产生深远影响。研究成果发表了20篇核心论文,包括1篇NaturePhotonics(封面文章),2篇Phys. Rev. Lett.,5篇Phys. Rev. ST-AB(1篇年度最佳论文)等,共计他引78次。相关工作在重要国际会议报告20余次。

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