超快、超高、超強(qiáng)！自由電子激光的出現(xiàn)，提供了一種全新的高亮度X射線光源，有助于超快化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、物質(zhì)材料等領(lǐng)域的研究。

《自然》封面 光機(jī)所 供圖

如何讓X射線自由電子激光器的研制更小型化、低成本？在上海嘉定，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，利用自行研制的具有國(guó)際領(lǐng)先綜合性能的超強(qiáng)超短激光裝置，在基于激光加速器的小型化自由電子激光研究方面取得突破性進(jìn)展。

實(shí)驗(yàn)室  光機(jī)所 供圖

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)顯著提升激光尾波場(chǎng)加速的電子束品質(zhì)，并結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計(jì)的緊湊型束流傳輸與輻射系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)現(xiàn)了基于激光加速器的自由電子激光放大輸出，典型激光波長(zhǎng)27納米，最短激光波長(zhǎng)可達(dá)10納米級(jí)，單脈沖能量可達(dá)100納焦級(jí)，國(guó)際率先完成了臺(tái)式化自由電子激光原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于發(fā)展小型化、低成本自由電子激光器具有重大意義。相關(guān)研究成果于2021年7月22日作為封面文章發(fā)表于《自然》雜志。

電子激光原理。光機(jī)所 供圖

電子激光原理。光機(jī)所 供圖

自由電子激光是實(shí)現(xiàn)X射線波段高亮度相干光源的迄今最佳技術(shù)途徑，X射線自由電子激光可用于探測(cè)物質(zhì)內(nèi)部動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和研究光與原子、分子和凝聚態(tài)物質(zhì)的相互作用過(guò)程，極大的促進(jìn)物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料、能源、環(huán)境等多學(xué)科的發(fā)展。研制小型化、低成本的X射線自由電子激光成為其重要的發(fā)展方向，對(duì)于拓展應(yīng)用和產(chǎn)生變革型技術(shù)都是極其重要的。

超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)的尾波場(chǎng)電子加速機(jī)制，可以提供比射頻電子加速器高三個(gè)數(shù)量級(jí)以上的超高加速梯度，因而成為研制小型化高能電子加速器的主要技術(shù)路線。

國(guó)際上自2004年首次在實(shí)驗(yàn)上取得激光尾波場(chǎng)電子加速的突破以來(lái)，利用激光尾波場(chǎng)加速器驅(qū)動(dòng)的小型化自由電子激光，特別是X射線波段的自由電子激光，便成為該領(lǐng)域科學(xué)家共同追求的前沿。

近年來(lái)，激光尾波場(chǎng)加速已經(jīng)取得許多重要進(jìn)展，但是對(duì)于驅(qū)動(dòng)自由電子激光而言，無(wú)論是電子束品質(zhì)還是穩(wěn)定性，都還面臨著諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，相關(guān)的研究還處于起步階段。中科院上海光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)一直致力于激光加速電子束品質(zhì)與穩(wěn)定性的提升，通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的等離子體密度分布結(jié)構(gòu)，優(yōu)化控制電子束的注入過(guò)程與加速過(guò)程，使得電子束綜合品質(zhì)（包括能散、發(fā)射度、電量等）得到有效的提升。

同時(shí)，通過(guò)控制與優(yōu)化電子束相空間演化實(shí)現(xiàn)了電子束從等離子體到真空的平穩(wěn)過(guò)渡，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的束流傳輸與波蕩器輻射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子束長(zhǎng)距離傳輸并有效耦合至波蕩器中。研究團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到極紫外波段的輻射信號(hào)，典型的輻射波長(zhǎng)27納米，單脈沖輻射能量最高可達(dá)150納焦，并通過(guò)軌道偏移以及自發(fā)輻射定標(biāo)等方法證明了最后一段波蕩器中能量增益高達(dá)100倍。

這是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)基于激光電子加速器的極紫外波段的自發(fā)輻射放大輸出，對(duì)于小型化、低成本的X射線自由電子激光器的研制具有重大意義。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步提升自由電子激光的輸出功率和光子能量，并作為上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（“羲和”激光裝置）中超快化學(xué)與大分子動(dòng)力學(xué)研究平臺(tái)的重要組成部分，提供開(kāi)放共享。