Coherent soft X-ray pulses from an echo-enabled harmonic generation free-electron laser
Primož Rebernik Ribič
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Alessandro Abrami
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Laura Badano
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Maurizio Bossi
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Hans-Heinrich Braun
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Niky Bruchon
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Flavio Capotondi
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Davide Castronovo
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Marco Cautero
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Paolo Cinquegrana
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Marcello Coreno
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Marie Emmanuelle Couprie
(1)
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Miltcho Boyanov Danailov
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Giovanni Ninno
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Alexander Demidovich
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Simone Mitri
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Bruno Diviacco
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William M. Fawley
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Chao Feng
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Mario Ferianis
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Eugenio Ferrari
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Laura Foglia
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Fabio Frassetto
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Giulio Gaio
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David Garzella
(2, 3)
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(1)
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Fabio Giacuzzo
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Luca Giannessi
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Vanessa Grattoni
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Sandi Grulja
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Erik Hemsing
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Fatma Iazzourene
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Gabor Kurdi
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Marco Lonza
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Nicola Mahne
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Marco Malvestuto
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Michele Manfredda
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Claudio Masciovecchio
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Paolo Miotti
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Najmeh S. Mirian
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Ivaylo Petrov Nikolov
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Giuseppe Maria Penco
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Gregory Penn
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Luca Poletto
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Mihai Pop
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Eduard Prat
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Emiliano Principi
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Lorenzo Raimondi
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Sven Reiche
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Eléonore Roussel
(4)
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Roberto Sauro
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Claudio Scafuri
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Paolo Sigalotti
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Simone Spampinati
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Carlo Spezzani
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Luca Sturari
,
Michele Svandrlik
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Takanori Tanikawa
,
Mauro Trovó
,
Marco Veronese
,
Davide Vivoda
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Dao Xiang
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Maurizio Zaccaria
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Enrico Massimiliano Allaria
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Résumé
X-ray free-electron lasers (FELs), which amplify light emitted by a relativistic electron beam, are extending nonlinear optical techniques to shorter wavelengths, adding element specificity by exciting and probing electronic transitions from core levels. These techniques would benefit tremendously from having a stable FEL source, generating spectrally pure and wavelength-tunable pulses. We show that such requirements can be met by operating the FEL in the so-called echo-enabled harmonic generation (EEHG) configuration. Here, two external conventional lasers are used to precisely tailor the longitudinal phase space of the electron beam before emission of X-rays. We demonstrate high-gain EEHG lasing producing stable, intense, nearly fully coherent pulses at wavelengths as short as 5.9 nm (~211 eV) at the FERMI FEL user facility. Low sensitivity to electron-beam imperfections and observation of stable, narrow-band, coherent emission down to 2.6 nm (~474 eV) make the technique a prime candidate for generating laser-like pulses in the X-ray spectral region, opening the door to multidimensional coherent spectroscopies at short wavelengths.