我科學家完成小型自由電子激光器原理實驗驗證

光是我們認識世界的重要媒介。人類能看到的光在光譜上只是很窄的一段，在可見光之外，還存在着各種波長的電磁波。它們雖然不能直接幫我們用肉眼觀察多彩的世界，但是它們各自都有着不可替代的用武之處，X射線就是其中的典型代表。

7月21日，《自然》以封面文章的形式報道我國科學家在小型化X射線自由電子激光研究中取得的突破性進展。來自中國科學院上海光學精密機械研究所的研究人員，通過顯著提升激光尾波場加速的電子束品質，並結合創新設計的緊湊型束流傳輸與輻射系統，實驗上首次實現了基於激光加速器的自由電子激光放大輸出，典型激光波長27納米，最短激光波長可達10納米級，單脈衝能量可達100納焦級。

“這項研究在國際上率先完成了台式化自由電子激光器原理的實驗驗證，對於發展小型化、低成本自由電子激光器具有重大意義。”中科院上海光機所研究員王文濤説。自由電子激光是一種全新的高亮度X射線光源，可用於探測物質內部動態結構和研究光與原子、分子和凝聚態物質的相互作用過程。

自由電子激光的出現極大地促進了表面物理、半導體物理、凝聚態物理、化學、結構生物學、醫學、材料、能源、環境等多學科的發展。“研製小型化、低成本的X射線自由電子激光器成為其重要的發展方向，對於拓展應用和產生變革型技術都是極其重要的。”王文濤強調。

超強超短激光驅動的尾波場電子加速機制，可以提供比射頻電子加速器高3個數量級以上的超高加速梯度，因而成為研製小型化高能電子加速器的主要技術路線。

自2004年美、法、英等國科學家首次在實驗上取得激光尾波場電子加速的突破以來，利用激光尾波場加速器驅動的小型化自由電子激光器，特別是X射線波段的自由電子激光器，便成為該領域科學家共同追求的前沿。

王文濤介紹，激光尾波場加速近年來已經取得許多重要進展，但是對於驅動自由電子激光而言，無論是電子束品質還是穩定性，都還面臨着諸多問題與挑戰，相關的研究還處於起步階段。多年來，上海光機所研究團隊一直致力於激光加速電子束品質與穩定性的提升。功夫不負有心人，研究團隊最終成功首次在實驗上觀測到極紫外波段的輻射信號，典型的輻射波長27納米，單脈衝輻射能量最高可達150納焦，並通過軌道偏移以及自發輻射定標等方法證明了最後一段波盪器中能量增益高達100倍。

“這是國際上首次實現基於激光電子加速器的極紫外線波段的自發輻射放大輸出。”王文濤強調。對於這項工作，同行專家給予了高度評價，“該成果是激光尾波場領域自2004年《自然》‘夢之束’報道以來的又一里程碑式的成果……科學成就是突出的，這是毫無疑問的……這個里程碑將為新的應用創造新的可能……”“……作者的工作是一流的，讓最廣泛的相關讀者可以欣賞實驗研究團隊所取得的重大成就，我對在一個重要的新興領域的里程碑——基於等離子體加速技術的小型自由電子激光器的實現表示祝賀……”

研究團隊未來將進一步提升自由電子激光的輸出功率和光子能量，並將這項研究成果作為上海超強超短激光實驗裝置（“羲和”激光裝置）中超快化學與大分子動力學研究平台的重要組成部分，提供開放共享。