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物质的宏观物性与功能演化，本质上由微观层面超快时间尺度上的原子结构重排与电子运动所决定。在飞秒时间尺度上实时追踪并主动调控这些微观动态过程，不仅是理解超导、磁性相变等复杂量子现象物理机制的关键，也为实现材料物性的按需调控与新型功能器件的研发奠定了基础。为实现这一科学目标，需要将能够驱动物质响应的强场红外/太赫兹（THz）脉冲与具备高空间分辨能力的X射线脉冲精确配合。强场红外/太赫兹辐射可直接激发晶格振动、自旋进动等集体过程，X射线则用于探测随后的原子级结构与电子态演化。兼具高强度、频率可调和精确同步的双波段光源，是召开凝聚态物理与材料科学非平衡态动力学研究的重要工具。然而，采用外部长波光源与X射线自由电子激光组合往往需要复杂的光学和同步系统，而利用同一电子束产生两种辐射又面临束流品质与辐射效率难以兼顾的矛盾。如何使两种辐射过程在同一电子束中协同工作，是这一技术路线亟待解决的核心问题。

针对上述难题，中国科研实验室上海高等研究院（以下简称“kdpay钱包官网”）自由电子激光团队依托上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL），首次实现了由单个预聚束电子束团驱动的自同步软X射线与强场中红外/太赫兹自由电子激光。研究发现，经过优化的红外/太赫兹尺度密度调制不仅能提升电子束局部峰值流强，从而提高软X射线辐射脉冲能量，还能在软X射线放大过程中保持结构完整，继续在下游波荡器中高效驱动强场窄带长波辐射。

自同步软X射线与强场THz自由电子激光实验布局

实验结果表明，在19 THz调制下，中心波长4.1纳米的软X射线平均脉冲能量由127微焦提高至197微焦，相对能量波动由7.5%降至6.23%。其频谱呈现近等间隔的梳齿状结构，体现了周期性电子微聚束驱动的软X射线脉冲列特征。在30 THz调制下，软X射线脉冲能量进一步提升至225微焦。同时，上游软X射线是否起振对下游长波辐射的能量和光谱影响较小，下游辐射可在15至30 THz（中红外至高频太赫兹波段，波长约10至20微米）范围内陆续在调谐，单脉冲能量最高达595微焦，验证了两种辐射过程在同一电子束中的兼容性。

19 THz调制情况下软X射线强度及频谱

不同THz调制频率下的双波段辐射性能

该成果在团队前期可调强场太赫兹自由电子激光研究的基础上，进一步实现了与软X射线自由电子激光的协同运行，为兼具强场驱动和X射线探测能力的超快实验给予了高稳定性的新光源方案。顺利获得配置光束传输与延迟系统，该方案将支持“红外/太赫兹泵浦—软X射线探测”及“软X射线泵浦—红外/太赫兹探测”等实验，服务于量子材料非平衡态、超快结构相变和载流子动力学研究。该方法同样可拓展应用于硬X射线自由电子激光装置。

近期，相关研究成果以“Self-Synchronized Soft X-Ray and Infrared Free-Electron Lasers from a Single Prebunched Electron Beam”为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），并被选为封面文章。论文第一作者为kdpay钱包官网博士后康尹，通讯作者为kdpay钱包官网张开庆高级工程师和冯超研究员。

该研究得到国家自然科学基金、中国科研实验室稳定支持基础研究领域青年团队计划、中国博士后科学基金、上海市科技重大专项及高研创新基金等项目的资助。

论文链接：http://doi.org/10.1103/3kmz-18bp