## References

1.
Takahashi, S.
Brunel, L. C.
Edwards, D. T.
Tol, J. V.
Ramian, G.
Han, S. and Sherwin, M. S.
Nature
489, 409 (2012).

2.
Young, L.
Kanter, E. P.
Krässig, B.
Li, Y.
March, A. M.
Pratt, S. T.
Santra, R.
Southworth, S. H.
Rohringer, N.
Dimauro, L. F.
Doumy, G.
Roedig, C. A.
Berrah, N.
Fang, L.
Hoener, M.
Bucksbaum, P. H.
Cryan, J. P.
Ghimire, S.
Glownia, J. M.
Reis, D. A.
Bozek, J. D.
Bostedt, C. and Messerschmidt, M.
Nature
466, 56 (2010).

3.
Barends, T. R.
Foucar, L.
Botha, S.
Doak, R. B.
Shoeman, R. L.
Nass, K.
Koglin, J. E.
Williams, G. J.
Boutet, S.
Messerschmidt, M. and Schlichting, I.
Nature
505, 244 (2014).

4.
Bilderback, D. H.
Elleaume, P. and Weckert, E.
J. Phys. B At. Mol. Opt. Phys.
38, S773 (2005).

5.
Tono, K.
High Power Laser Sci. Eng.
5, e7 (2017).

6.
Ackermann, W.
Asova, G.
Ayvazyan, V.
Azima, A.
Baboi, N.
Bahr, J.
Balandin, V.
Beutner, B.
Brandt, A.
Bolzmann, A.
Brinkmann, R.
Brovko, O. I.
Castellano, M.
Castro, P.
Catani, L.
Chiadroni, E.
Choroba, S.
Cianchi, A.
Costello, J. T.
Cubaynes, D.
Dardis, J.
Decking, W.
Delsim-Hashemi, H.
Delserieys, A.
Pirro, G. D.
Dohlus, M.
Dusterer, S.
Eckhardt, A.
Edwards, H. T.
Faatz, B.
Feldhaus, J.
Flottmann, K.
Frisch, J.
Fröhlich, L.
Garvey, T.
Gensch, U.
Gerth, C.
Gorler, M.
Golubeva, N.
Grabosch, H. J.
Grecki, M.
Grimm, O.
Hacker, K.
Hahn, U.
Han, J. H.
Honkavaara, K.
Hott, T.
Hüning, M.
Ivanisenko, Y.
Jaeschke, E.
Jalmuzna, W.
Jezynski, T.
Kammering, R.
Katalev, V.
Kavanagh, K.
Kennedy, E. T.
Khodyachykh, S.
Klose, K.
Kocharyan, V.
Korfer, M.
Kollewe, M.
Koprek, W.
Korepanov, S.
Kostin, D.
Krassilnikov, M.
Kube, G.
Kuhlmann, M.
Lewis, C. L. S.
Lilje, L.
Limberg, T.
Lipka, D.
Löhl, F.
Luna, H.
Luong, M.
Martins, M.
Meyer, M.
Michelato, P.
Miltchev, V.
Moller, W. D.
Monaco, L.
Muller, W. F. O.
Napieralski, A.
Napoly, O.
Nicolosi, P.
Nolle, D.
Nunez, T.
Oppelt, A.
Pagani, C.
Paparella, R.
Pchalek, N.
Pedregosa-Gutierrez, J.
Petersen, B.
Petrosyan, B.
Petrosyan, G.
Petrosyan, L.
Pfluger, J.
Plonjes, E.
Poletto, L.
Pozniak, K.
Prat, E.
Proch, D.
Pucyk, P.
Radcliffe, P.
Redlin, H.
Rehlich, K.
Richter, M.
Roehrs, M.
Roensch, J.
Romaniuk, R.
Ross, M.
Rossbach, J.
Rybnikov, V.
Sachwitz, M.
Saldin, E. L.
Sandner, W.
Schlarb, H.
Schmidt, B.
Schmitz, M.
Schmuser, P.
Schneider, J. R.
Schneidmiller, E. A.
Schnepp, S.
Schreiber, S.
Seidel, M.
Sertore, D.
Shabunov, A. V.
Simon, C.
Simrock, S.
Sombrowski, E.
Sorokin, A. A.
Spanknebel, P.
Spesyvtsev, R.
Staykov, L.
Steffen, B.
Stephan, F.
Stulle, F.
Thom, H.
Tiedtke, K.
Tischer, M.
Toleikis, S.
Treusch, R.
Trines, D.
Tsakov, I.
Vogel, E.
Weiland, T.
Weise, H.
Wellhofer, M.
Wendt, M.
Will, I.
Winter, A.
Wittenburg, K.
Wurth, W.
Yeates, P.
Yurkov, M. V.
Zagorodnov, I. and Zapfe, K.
Nat. Photonics
1, 336 (2007).

7.
Emma, P.
Akre, R.
Arthur, J.
Bionta, R.
Bostedt, C.
Bozek, J.
Brachmann, A.
Bucksbaum, P.
Coffee, R.
Decker, F.- J.
Ding, Y.
Dowell, D.
Edstrom, S.
Fisher, A.
Frisch, J.
Gilevich, S.
Hastings, J.
Hays, G.
Hering, Ph.
Huang, Z.
Iverson, R.
Loos, H.
Messerschmidt, M.
Miahnahri, A.
Moeller, S.
Nuhn, H.-D.
Pile, G.
Ratner, D.
Rzepiela, J.
Schultz, D.
Smith, T.
Stefan, P.
Tompkins, H.
Turner, J.
Welch, J.
White, W.
Wu, J.
Yocky, G. and Galayda, J.
Nat. Photonics
4, 641 (2010).

8.
Allaria, E.
Appio, R.
Badano, L.
Barletta, W. A.
Bassanese, S.
Biedron, S. G.
Borga, A.
Busetto, E.
Castronovo, D.
Cinquegrana, P.
Cleva, S.
Cocco, D.
Cornacchia, M.
Craievich, P.
Cudin, I.
D’Auria, G.
Forno, M. D.
Danailov, M. B.
Monte, R. D.
De Ninno, G.
Delgiusto, P.
Demidovich, A.
Mitri, S. D.
Diviacco, B.
Fabris, A.
Fabris, R.
Fawley, W.
Ferianis, M.
Ferrari, E.
Ferry, S.
Froehlich, L.
Furlan, P.
Gaio, G.
Gelmetti, F.
Giannessi, L.
Giannini, M.
Gobessi, R.
Ivanov, R.
Karantzoulis, E.
Lonza, M.
Lutman, A.
Mahieu, B.
Milloch, M.
Milton, S. V.
Musardo, M.
Nikolov, I.
Noe, S.
Parmigiani, F.
Penco, G.
Petronio, M.
Pivetta, L.
Predonzani, M.
Rossi, F.
Rumiz, L.
Salom, A.
Scafuri, C.
Serpico, C.
Sigalotti, P.
Spampinati, S.
Spezzani, C.
Svandrlik, M.
Svetina, C.
Tazzari, S.
Trovo, M.
Umer, R.
Vascotto, A.
Veronese, M.
Visintini, R.
Zaccaria, M.
Zangrando, D. and Zangrando, M.
Nat. Photonics
6, 699 (2012).

9.
Ishikawa, T.
Aoyagi, H.
Asaka, T.
Asano, Y.
Azumi, N.
Bizen, T.
Ego, H.
Fukami, K.
Fukui, T.
Furukawa, Y.
Goto, S.
Hanaki, H.
Hara, T.
Hasegawa, T.
Hatsui, T.
Higashiya, A.
Hirono, T.
Hosoda, N.
Ishii, M.
Inagaki, T.
Inubushi, Y.
Itoga, T.
Joti, Y.
Kago, M.
Kameshima, T.
Kimura, H.
Kirihara, Y.
Kiyomichi, A.
Kobayashi, T.
Kondo, C.
Kudo, T.
Maesaka, H.
Mar’echal, X. M.
Masuda, T.
Matsubara, S.
Matsumoto, T.
Matsushita, T.
Matsui, S.
Nagasono, M.
Nariyama, N.
Ohashi, H.
Ohata, T.
Ohshima, T.
Ono, S.
Otake, Y.
Saji, C.
Sakurai, T.
Sato, T.
Sawada, K.
Seike, T.
Shirasawa, K.
Sugimoto, T.
Suzuki, S.
Takahashi, S.
Takebe, H.
Takeshita, K.
Tamasaku, K.
Tanaka, H.
Tanaka, R.
Tanaka, T.
Togashi, T.
Togawa, K.
Tokuhisa, A.
Tomizawa, H.
Tono, K.
Wu, S.
Yabashi, M.
Yamaga, M.
Yamashita, A.
Yanagida, K.
Zhang, C.
Shintake, T.
Kitamura, H. and Kumagai, N.
Nat. Photonics
6, 540 (2012).

10.
Tajima, T. and Dawson, J. M.
Phys. Rev. Lett.
43, 267 (1979).

11.
Mangles, S. P.
Murphy, C. D.
Najmudin, Z.
Thomas, A. G.
Collier, J. L.
Dangor, A. E.
Divall, E. J.
Foster, P. S.
Gallacher, J. G.
J. Hooker, C.
Jaroszynski, D. A.
Langley, A. J.
Mori, W. B.
Norreys, P. A.
Tsung, F. S.
Viskup, R.
Walton, B. R. and Krushelnick, K.
Nature
431, 535 (2004).

12.
Geddes, C. G. R.
Toth, C.
Tilborg, J. V.
Esarey, E.
Schroeder, C. B.
Bruhwiler, D.
Nieter, C.
Cary, J. and Leemans, W. P.
Nature
431, 538 (2004).

13.
Faure, J.
Glinec, Y.
Pukhov, A.
Kiselev, S.
Gordienko, S.
Lefebvre, E.
Rousseau, J. P.
Burgy, F. and Malka, V.
Nature
431, 541 (2004).

14.
Liu, J. S.
Xia, C. Q.
Wang, W. T.
Lu, H. Y.
Wang, C.
Deng, A. H.
Li, W. T.
Zhang, H.
Liang, X. Y.
Leng, Y. X.
Lu, X. M.
Wang, C.
Wang, J. Z.
Nakajima, K.
Li, R. X. and Xu, Z. Z.
Phys. Rev. Lett.
107, 035001 (2011).

15.
Gonsalves, A. J.
Nakamura, K.
Lin, C.
Panasenko, D.
Shiraishi, S.
Sokollik, T.
Benedetti, C.
Schroeder, C. B.
Geddes, C. G. R.
Tilborg, J. V.
Osterhoff, J.
Esarey, E.
Toth, C. and Leeman, W. P.
Nat. Phys.
7, 862 (2012).

16.
Leemans, W. P.
Gonsalves, A. J.
Mao, H. S.
Nakamura, K.
Benedetti, C.
Schroeder, C. B.
Tóth, C.
Daniels, J.
Mittelberger, D. E.
Bulanov, S. S.
Vay, J. L.
Geddes, C. G. R. and Esarey, E.
Phys. Rev. Lett.
113, 245002 (2014).

17.
Wang, W. T.
Li, W. T.
Liu, J. S.
Zhang, Z. J.
Qi, R.
Yu, C. H.
Liu, J. Q.
Fang, M.
Qin, Z. Y.
Wang, C.
Xu, Y.
Wu, F. X.
Leng, Y. X.
Li, R. X. and Xu, Z. Z.
Phys. Rev. Lett.
117, 124801 (2016).

18.
Hafz, N. A. M.
Li, S.
Li, G.
Mohammad, M.
Zeng, M. and Zhang, J.
High Power Laser Sci. Eng.
4, e24 (2016).

19.
Rechatin, C.
Faure, J.
Benismail, A.
Lim, J.
Fitour, R.
Specka, A.
Videau, H.
Tafzi, A.
Burgy, F. and Malka, V.
Phys. Rev. Lett.
102, 164801 (2009).

20.
Mirzaie, M.
Li, S.
Zeng, M.
Hafz, N. A.
Chen, M.
Li, G. Y.
Zhu, Q. J.
Liao, H.
Sokollik, T.
Liu, F.
Ma, Y. Y.
Chen, L. M.
Sheng, Z. M. and Zhang, J.
Sci. Rep.
5, 14659 (2015).

21.
Huang, Z. and Kim, K.- J.
Phys. Rev. Accel. Beams
10, 034801 (2007).

22.
Zhang, Z. J.
Liu, J. S.
Wang, W. T.
Li, W. T.
Yu, C. H.
Tian, Y.
Qi, R.
Wang, C.
Qin, Z. Y.
Fang, M.
Liu, J. Q.
Nakajima, K.
Li, R. X. and Xu, Z. Z.
New J. Phys.
17, 103011 (2015).

23.
Smith, T. I.
Madey, J. M. J.
Elias, L. R. and Deacon, D. A. G.
J. Appl. Phys.
50, 4580 (1979).

24.
Huang, Z.
Ding, Y. and Schroeder, C. B.
Phys. Rev. Lett.
109, 204801 (2012).

25.
Baxevanis, P.
Ding, Y.
Huang, Z. and Ruth, R.
Phys. Rev. Accel. Beams
17, 020701 (2014).

26.
Jia, Q. and Li, H.
Phys. Rev. Accel. Beams
20, 020707 (2017).

27.
Bonifacio, R.
Pellegrini, C. and Narducci, L. M.
Opt. Commun.
50, 373 (1984).

28.
Qin, Z.
Yu, C.
Wang, W.
Liu, J.
Li, W.
Qi, R.
Zhang, Z.
Liu, J.
Fang, M.
Feng, K.
Wu, Y.
Ke, L.
Chen, Y.
Xu, Y.
Leng, Y.
Wang, C.
Li, R. and Xu, Z.
Phys. Plasmas
25, 023106 (2018).

29.
Fang, M.
Wang, W.
Zhang, Z.
Liu, J.
Yu, C.
Qi, R.
Qin, Z.
Liu, J.
Feng, K.
Wu, Y.
Wang, C.
Liu, T.
Wang, D.
Xu, Y.
Wu, F.
Leng, Y.
Li, R. and Xu, Z.
Chin. Opt. Lett.
16, 040201 (2018).

30.
Liu, T.
Zhang, T.
Wang, D. and Huang, Z.
Phys. Rev. Accel. Beams
20, 020701 (2017).

31.
Reiche, S.
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res A
429, 243 (1999).

32.
Vartanyants, I. A. and Singer, A.
New J. Phys.
12, 035004 (2010).

33.
Baxevanis, P.
Huang, Z.
Ruth, R. and Schroeder, C. B.
Phys. Rev. Accel. Beams
18, 010701 (2015).