双粒子束实现超越太瓦的阿秒自由电子激光脉冲

自由电子激光（FEL）产生最亮的相干 X 射线脉冲，使物理学、化学和生物学中原子分辨率和飞秒时间尺度的研究成为可能。在极端峰值功率和阿秒脉冲持续时间内实现其全部潜力，关键取决于在整个束团长度上维持相干增益。然而，超高电流条件下的准静态纵向空间电荷场引入了切片依赖的能量失谐，抑制了增益增长，因此现有方案通常仅在束团的有限部分内维持高效激射。本文我们证明，准中性的电子-正电子双粒子束可以抵消这一自场，并在无外部补偿的情况下实现超压缩束团的全束团高增益激射。单一通过、非锥形波荡器中的三维粒子模拟（PIC）证实了该机制在运行条件下的有效性：在软 X 射线波段，双粒子束在 345 阿秒下达到 1.85 太瓦，具有增强的奇次谐波发射和改善的空间相干性，而纯电子束无法达到饱和；高次谐波双粒子级联构型在孤立的约 3.5 阿秒尖峰中产生约 10 太瓦的功率，相干放大延伸至约 177 千电子伏的光子能量。这些结果为超高峰值功率阿秒光源建立了一个新的运行模式，并开辟了一条通往磁波荡器 FEL 目前无法达到的相干伽马射线发射（≥100 千电子伏）的直接途径，对超快结构、电子和核科学具有广泛意义。