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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应用前景。但受限于现有技术瓶颈，如何产生高亮度、短脉冲以及相干性好的高品质X射线涡旋光尚不明晰。近期，澳门赌场上海高等研究院研究员冯超团队在高品质X射线涡旋光产生方法上取得突破，并提出基于波前整形的新方案。该方案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。与传统依赖螺旋波荡器或全息元件方法不同，该方案无需额外对电子束进行操控或采用复杂光学器件，即通过引入一对可调倾角的平面反射镜，使高增益自由电子激光装置中产生高亮度涡旋光束，且该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，该方案可在数十吉瓦功率水平下输出占比超97%的高纯度涡旋X射线。该研究提供了波前整形新思路，解决了当前大多光学元件难以满足X射线自由电子激光高功率和波长范围局限的问题，有望应用于现有X射线自由电子激光装置和多种自由电子激光运行模式。同时，该研究为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，为学界进一步探讨复杂电子结构、材料微观构型以及生物分子动力学等研究方面提供了新的观测手段。相关研究成果以Intense X-Ray Vortices Generation via Wavefront Shaping in High-Gain Free-Electron Lasers为题，发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、澳门赌场的支持。论文链接基于波前整形产生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