7月22日，中国科学院上海光学与精细力学研究所基于激光加速器的小型化自由电子激光器研究成果作为封面文章发表在《自然》杂志上。
中国科学院上海光学精细力学研究所强场激光物理国家重点实验室利用自行研制的超强超短激光装置，显著提高了激光尾流场加速电子束的质量。同时，研究团队结合紧凑型光束传输和辐射系统的创新设计，首次实现了基于激光加速器的自由电子激光放大输出，典型激光波长27纳米，最短激光波长可达10纳米级，单脉冲能量可达100纳焦级，,在国际上率先完成了台式化自由电子激光原理的实验验证，对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。
一种新型紧凑型波动器光束传输和光发射实验装置。
到目前为止，自由电子激光是实现X射线波段高亮度相干光源的最佳技术途径。x射线自由电子激光可以用来探测物质的内部动态结构，研究光与原子、分子、凝聚态物质的相互作用过程，极大地推动了表面物理、半导体物理、凝聚态物理、化学、结构生物学、医学、材料、能源、环境等学科的发展。小型化、低成本的X射线自由电子激光器的发展已经成为一个重要的发展方向，对于拓展应用和产生革命性技术具有极其重要的意义。
实验室场景。
超强超短激光驱动的尾波场电子加速机制，可以提供比射频电子加速器高3个数量级以上的超高加速梯度，因此成为发展小型化高能电子加速器的主要技术路线。2004年，美国、法国、英国等国的科学家首次在激光尾流场的电子加速方面取得突破。此后，由激光尾迹场加速器驱动的小型化自由电子激光器，特别是X射线波段的自由电子激光器，成为该领域科学家追求的前沿目标。目前世界上已建成并投入运行的X射线自由电子激光装置只有8个，但其规模已达到“千米级”。中国科学院上海光学精密机械研究所的新成果，将“公里级”的装置“台式化”缩小为十二米的装置，为发展小型化、低成本自由电子激光器迈出了至关重要的一步。
自由电子激光辐射输出信号的诊断。
尽管在加速激光尾迹场方面取得了许多重要进展，但无论是在电子束质量还是稳定性方面，驱动自由电子激光器仍存在许多问题和挑战，相关研究仍处于起步阶段。多年来，中国科学院上海光学精细力学研究所的研究团队一直致力于提高激光加速电子束的质量和稳定性。通过设计特殊的等离子体密度分布结构，优化了电子束的注入过程和加速过程，提高了电子束的综合质量(包括能量耗散、发射度、电学等)。)得到有效改善。同时，通过控制电子束相空间的演化，实现了电子束从等离子体到真空的平滑过渡，并设计了相应的束流传输和波荡器辐射系统，实现了电子束到波荡器的长距离传输和有效耦合。研究团队首次观测到极紫外波段的辐射信号，典型辐射波长为27 nm，单脉冲辐射能量高达150 NJ。通过轨道迁移和自发辐射校准，证实了波荡器最后一级的能量增益高达100倍。这是世界上首次基于激光电子加速器实现极紫外波段自发辐射的放大输出，对于发展小型化、低成本的X射线自由电子激光器具有重要意义。
5px;">实验室场景。
国际同行对这项研究成果给予了高度评价，“该成果是激光尾波场领域自2004年《自然》‘梦之束’报道以来又一里程碑式的成果…科学成就是突出的，这是毫无疑问的…这个里程碑将为新的应用创造新的可能……”“……代表了基于等离子体加速的紧凑型自由电子激光发展的重要一步…所报道的技术将对同行科研人员产生重大影响，是一项重大的技术突破……”
未来，研究团队将进一步提升自由电子激光的输出功率和光子能量，并作为上海超强超短激光实验装置（“羲和”激光装置）中超快化学与大分子动力学研究平台的重要组成部分，提供开放共享。
栏目主编：黄海华 文字编辑：李蕾 题图来源：受访单位供图
受访单位供图
来源：作者：李蕾