近日，上海光源中心自由電子激光團隊在X射線自由電子激光振蕩器研究方面取得重要進展，理論提出了一種產生渦旋X光的方法。
研究表明，僅僅通過增益失諧的調節，X射線自由電子激光振蕩器的輸出就可以從傳統的高斯光變為渦旋光。相關成果以“Generating X-rays with orbital angular momentum in a free-electron laser oscillator”為題，以研究快報形式作為本期封面文章發表在美國光學學會權威期刊Optica (IF=11.1)，中國科學院上海應用物理所博士研究生黃楠順為論文第一作者，中國科學院上海高等研究院鄧海嘯研究員為論文通訊作者。這是Optica發表的第一項X射線自由電子激光物理方面的研究工作。

X射線自由電子激光振蕩器產生全相干渦旋X光示意圖（雜志封面圖片）

渦旋光是一種特殊性質的光，其產生、調控和探測是光學領域的研究熱點。渦旋光已經應用于很多領域，包括數據傳輸、操縱微觀粒子運動和精密測量等。渦旋光的產生通常需要螺旋相位板或全息光柵等難以加工的光學器件，非常不易，尤其是X射線渦旋光的產生是一個亟待解決的關鍵問題。自由電子激光是一種基于粒子加速器的先進光源，可以產生高亮度，短脈沖的X射線，渦旋光與自由電子激光結合有望為光子科學提供新的機遇。目前，自由電子激光產生渦旋X光的方案需要螺旋波蕩器，并且要工作在調制激光的高次諧波上，同樣不容易實現。
為了解決這個問題，研究人員提出了一種在X射線自由電子激光振蕩器中產生全相干渦旋光的方法。該方法無需光學轉換元件和螺旋波蕩器，僅僅利用了增益失諧來控制高階橫向模式的增益，從而在傳統X射線自由電子激光振蕩器中自然地產生渦旋光。基于上海硬X射線自由電子激光裝置的模擬結果顯示，該方法能在1兆赫茲重復頻率下產生單個脈沖能量為100微焦的渦旋X光束。這是目前全相干渦旋X光的唯一產生方案，對于進一步拓展X射線自由電子激光振蕩器研究、開發新的實驗方法有重要的意義。

 X射線自由電子激光振蕩器中橫向模式的演化。

2008年X射線自由電子激光振蕩器概念提出以來，上海光源中心自由電子激光團隊已經在X射線自由電子激光振蕩器研究方面取得多項進展，持續推動相關研究發展。2012年，提出了X射線自由電子激光振蕩器的諧波運行模式(Physical Review Letters, 108, 034802)，在該模式下，中等能量電子束團可以驅動X射線自由電子激光振蕩器，極大降低了對電子束能量的要求。2018年，提出了增益光導型X射線自由電子激光振蕩器 (Applied Physics Letters, 113, 061106)，在沒有聚焦元件狀態下，增益自聚焦效應可以維持X射線自由電子激光振蕩器的橫向模式，而輸出效率和穩定性不受影響。
本項研究得到了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃項目、中國科學院和上海市的資助支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.428341