阿秒光源作为研究量子系统亚飞秒尺度电子动力学的关键工具，其发展面临的核心挑战在于如何实现高强度的孤立X射线脉冲。X射线自由电子激光（XFEL）是一种基于电子直线加速器的先进光源，能够产生超短超强的激光脉冲。增强型自放大自发辐射（ESASE，Enhanced Self-Amplified Spontaneous Emission）是FEL中产生超短脉冲的主流方法，它通过增强电子束的局部峰值流强来产生阿秒量级的超快X射线。为实现阿秒X射线和外部泵浦激光的精确同步，理想的方案是采用超快激光对电子束进行调制，但这一方案的主要问题是，调制激光会在主峰旁边产生多个小峰，这严重降低了阿秒脉冲的信噪比。

针对此问题，上海高研院光源科学中心冯超研究员团队与上海光机所黄志远副研究员团队合作，提出利用气压梯度空芯光纤（HCF，Hollow capillary fibers）卓越的宽谱传输能力及可调控的色散/非线性特性，将多周期中红外激光压缩至亚周期尺度，继而利用该亚周期激光调制电子束获得孤立的电流尖峰，并最终在波荡器中实现高信噪比孤立阿秒FEL脉冲的产生。同时，该亚周期激光与阿秒FEL自然同步，将为阿秒泵浦-探测提供理想的工具。相关成果以“Isolated attosecond free-electron laser based on a sub-cycle driver from hollow capillary fibers”为题，近期发表在Science合作期刊Ultrafast Science上。

图1 方案布局示意图

气压梯度HCF的核心优势在于，通过精确选择气体介质和优化气压梯度，可实现非线性与色散特性的灵活调控。基于孤子自压缩效应，激光脉冲在波导反常色散与自相位调制的协同作用下可实现高效压缩。模拟结果表明，采用气压梯度HCF可以将中心波长4 μm、脉冲能量640 μJ、脉冲长度40 fs的输入脉冲压缩至5.7 fs（约0.4个光周期），压缩效果详见图2。

图2 中红外脉冲在气压梯度HCF中自压缩过程的示意图

气压梯度HCF产生的亚周期激光与FEL中的电子束发生相互作用，使电子束产生近乎单周期的能量调制，进而产生单尖峰的电流调制，其能量相空间分布与电流分布如图3所示。随后，该电子束被传输到FEL放大器中，最终辐射输出高强度、高信噪比的孤立X射线脉冲，其中心波长为1 nm，脉宽约580 as，峰值功率达30 GW。

图3 电子束的能量相空间与电流分布（左）；产生的孤立X射线脉冲（右）

这种高强度超短脉冲可以为诸多前沿科学研究提供全新的工具，例如，价电子动力学探测、光电发射延迟测量以及量子隧穿时间表征等。本方案的优势在于，HCF产生的超强亚周期脉冲与阿秒FEL脉冲具有自然的时间同步性，可基于XFEL大科学装置构建高精度的红外激光泵浦-阿秒X射线探测实验平台，在超快科学领域具有重要的应用前景。

该研究得到了国家自然科学基金重点项目和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划的支持。

文章链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/ultrafastscience.0099