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，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，利用自行研制的具有國際領(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)通過顯著提升激光尾波場加速的電子束品質(zhì)，并結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計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27納米，最短激光波長可達(dá)10納米級，單脈沖能量可達(dá)100納焦級，國際率先完成了臺式化自由電子激光原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對于發(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物質(zhì)內(nèi)部動態(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)動的尾波場電子加速機(jī)制，可以提供比射頻電子加速器高三個數(shù)量級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。

國際上自2004年首次在實(shí)驗(yàn)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(qū)動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，激光尾波場加速已經(jīng)取得許多重要進(jìn)展，但是對于驅(qū)動自由電子激光而言，無論是電子束品質(zhì)還是穩(wěn)定性，都還面臨著諸多問題與挑戰(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，通過設(shè)計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程與加速過程，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，通過控制與優(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)過渡，并設(shè)計相應(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)上觀測到極紫外波段的輻射信號，典型的輻射波長27納米，單脈沖輻射能量最高可達(dá)150納焦，并通過軌道偏移以及自發(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，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)與大分子動力學(xué)研究平臺的重要組成部分，提供開放共享。