## References

1.
Madey, J. M. J.
J. Appl. Phys.
42, 1906 (1971).

2.
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. Photon.
4, 641 (2010).

3.
Shintake, T.
Tanaka, H.
Hara, T.
Tanaka, T.
Togawa, K.
Yabashi, M.
Otake, Y.
Asano, Y.
Bizen, T.
Fukui, T.
Goto, S.
Higashiya, A.
Hirono, T.
Hosoda, N.
Inagaki, T.
Inoue, S.
Ishii, M.
Kim, Y.
Kimura, H.
Kitamura, M.
Kobayashi, T.
Maesaka, H.
Masuda, T.
Matsui, S.
Matsushita, T.
Maréchal, X.
Nagasono, M.
Ohashi, H.
Ohata, T.
Ohshima, T.
Onoe, K.
Shirasawa, K.
Takagi, T.
Takahashi, S.
Takeuchi, M.
Tamasaku, K.
Tanaka, R.
Tanaka, Y.
Tanikawa, T.
Togashi, T.
Wu, S.
Yamashita, A.
Yanagida, K.
Zhang, C.
Kitamura, H. and Ishikawa, T.
Nat. Photon.
2, 555 (2008).

4.
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.
Maréchal, X.
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. Photon.
6, 540 (2012).

5.
Ackermann, W.
Asova, G.
Ayvazyan, V.
Azima, A.
Baboi, N.
Bähr, 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.
Di Pirro, G.
Dohlus, M.
Düsterer, S.
Eckhardt, A.
Edwards, H. T.
Faatz, B.
Feldhaus, J.
Flöttmann, K.
Frisch, J.
Fröhlich, L.
Garvey, T.
Gensch, U.
Gerth, Ch.
Görler, 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.
Körfer, 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.
Möller, W. D.
Monaco, L.
Müller, W. F. O.
Napieralski, O.
Napoly, O.
Nicolosi, P.
Nölle, D.
Nuñez, T.
Oppelt, A.
Pagani, C.
Paparella, R.
Pchalek, N.
Pedregosa-Gutierrez, J.
Petersen, B.
Petrosyan, B.
Petrosyan, G.
Petrosyan, L.
Pflüger, J.
Plönjes, 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.
Schmüser, 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.
Wellhöfer, M.
Wendt, M.
Will, I.
Winter, A.
Wittenburg, K.
Wurth, W.
Yeates, P.
Yurkov, M. V.
Zagorodnov, I. and Zapfe, K.
Nat. Photon.
1, 336 (2007).

6.
Feldhaus, J.
Saldin, E. L.
Schneider, J. R.
Schneidmiller, E. A. and Yurkov, M. V.
Opt. Commun.
140, 341 (1997).

7.
Geloni, G.
Kocharyan, V. and Saldin, E.
DESY10-008 (2010).

8.
Takahashi, E. J.
Kanai, T.
Ishikawa, K. L.
Nabakawa, Y. and Midorikawa, K.
Phys. Rev. Lett.
101, 253901 (2008).

9.
Yu, L.-H.
Babzien, M.
Ben-Zvi, I.
DiMauro, L. F.
Doyuran, A.
Graves, W.
Johnson, E.
Krinsky, S.
Malone, R.
Pogorelsky, I.
Skaritka, J.
Rakowsky, G.
Solomon, L.
Wang, X. J.
Woodle, M.
Yakimenko, V.
Biedron, S. G.
Galayda, J. N.
Gluskin, E.
Jagger, J.
Sajaev, V. and Vasserman, I.
Science
289, 932 (2000).

10.
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.
Dal Forno, M.
Danailov, M. B.
De Monte, R.
De Ninno, G.
Delgiusto, P.
Demidovich, A.
Di Mitri, S.
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. Photon.
6, 699 (2012).

11.
Allaria, E.
Castronovo, D.
Cinquegrana, P.
Craievich, P.
Dal Forno, M.
Danailov, M. B.
D’Auria, G.
Demidovich, A.
De Ninno, G.
Di Mitri, S.
Diviacco, B.
Fawley, W. M.
Ferianis, M.
Ferrari, E.
Froehlich, L.
Gaio, G.
Gauthier, D.
Giannessi, L.
Ivanov, R.
Mahieu, B.
Mahne, N.
Nikolov, I.
Parmigiani, F.
Penco, G.
Raimondi, L.
Scafuri, C.
Serpico, C.
Sigalotti, P.
Spampinati, S.
Spezzani, C.
Svandrlik, M.
Svetina, C.
Trovo, M.
Veronese, M.
Zangrando, D. and Zangrando, M.
Nat. Photon.
7, 913 (2013).

12.
Togashi, T.
Takahashi, E.
Midorikawa, K.
Aoyama, M.
Yamakawa, K.
Sato, T.
Iwasaki, A.
Owada, S.
Okino, T.
Yamanouchi, K.
Kannari, F.
Yagishita, A.
Nakano, H.
Couprie, M. E.
Fukami, K.
Hatsui, T.
Hara, T.
Kameshima, T.
Kitamura, H.
Kumagai, N.
Matsubara, S.
Nagasono, M.
Ohashi, H.
Ohshima, T.
Otake, Y.
Shintake, T.
Tamasaku, K.
Tanaka, H
Tanaka, T.
Togawa, K.
Tomizawa, H.
Watanabe, T.
Yabashi, M. and Ishikawa, T.
Opt. Express
19, 317 (2011).

13.
Saldin, E. L.
Schneidmiller, E. A. and Yurkov, M. V.
Opt. Commun.
202, 169 (2002).

14.
Togawa, K.
Shintake, T.
Inagaki, T.
Onoe, K.
Tanaka, T.
Baba, H. and Matsumoto, H.
Phys. Rev. ST Accel. Beams
10, 020703 (2007).

15.
Kato, M.
Saitoa, N.
Tanaka, T.
Morishita, Y.
Kimura, H.
Ohashi, H.
Nagasono, M.
Yabashi, M.
Tono, K.
Togashi, T.
Higashiya, A. and Ishikawa, T.
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
612, 209211 (2009).

16.
Takahashi, E. J.
Nabekawa, Y. and Midorikawa, K.
Appl. Phys. Lett.
84, 4 (2004).

17.
Takahashi, E. J.
Lan, P.
Mücke, O. D.
Nabekawa, Y. and Midorikawa, K.
Phys. Rev. Lett
104, 233901 (2010).

18.
Takahashi, E. J.
Lan, P.
Mücke, O. D.
Nabekawa, Y. and Midorikawa, K.
Nat. Commun.
3691, 1 (2013).

19.
Tomizawa, H.
Togashi, T.
Ogawa, K.
Tanaka, H.
Yabashi, M.
Matsubara, S.
Okayasu, Y. and Ishikawa, T. in *Proceedings of the 2nd International Beam Instrumentation Conference (IBIC2013)* MOAL2 (2013).

20.
Tomizawa, H.
Hanaki, H. and Ishikawa, T. in *Proceedings of the 29th International Free Electron Laser Conference* 472 (2007).

21.
Okayasu, Y.
Tomizawa, H.
Matsubara, S.
Kumagai, N.
Maekawa, A.
Uesaka, M. and Ishikawa, T.
Phys. Rev. ST Accel. Beams
16, 052801 (2013).