短波长涡旋光因其独特的螺旋相位分布和轨道角动量特性，在非线性光学、超分辨显微成像、凝聚态物理、细胞生物学等前沿科学领域具有十分重要的应用前景。然而，受限于现有的技术瓶颈，如何产生高亮度、短脉冲以及相干性好的高品质X射线涡旋光，仍是亟待解决的难题。

近期，中国科学院上海高等研究院自由电子激光团队在高品质X射线涡旋光的产生方法上取得重要突破，提出了一种基于波前整形的全新方案。该方法通过在自由电子激光增益过程中微调辐射波前，实现了X射线光束从高斯模式向涡旋模式的高效转换。与传统方法依赖螺旋波荡器或全息元件不同，该技术无需额外对电子束进行操控或采用复杂光学器件，仅通过引入一对可调倾角的平面反射镜，即可在高增益自由电子激光装置中产生高亮度涡旋光束，具备更好的波长可调性与更高的工程可行性。模拟结果表明，该方法可在数十吉瓦功率水平下输出占比超过97%的高纯度涡旋X射线，显著优于现有方案。

图1 基于波前整形产生X射线涡旋自由电子激光的方案示意图

图2 在自由电子激光增益过程中通过模式竞争自然形成高纯度的涡旋X射线

该研究不仅提供了一种波前整形的新思路，并且解决了当前大部分光学元件无法满足X射线自由电子激光高功率和波长范围局限的问题，可广泛应用于现有X射线自由电子激光装置和各种自由电子激光运行模式。该项研究为X射线自由电子激光装置产生涡旋光提供了简单有效的新途径，具有重要的科学意义与应用前景，它将为研究复杂电子结构、材料微观构型以及生物分子动力学等提供全新的观测手段。

本项研究成果以“Intense X-Ray Vortices Generation via Wavefront Shaping in High-Gain Free-Electron Lasers”为题发表于最新一期的《物理评论快报》（Physical Review Letters），上海高等研究院的冯超研究员为论文通讯作者，上海科技大学万唯实教授课题组的硕士研究生周致楷为论文第一作者。

本研究得到了国家自然科学基金重点项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划和中国科学院战略性先导科技计划的资助支持。

论文链接： https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.205001