我国学者在台式化自由电子激光研制中取得重要进展
日期 2021-07-28  来源:数理科学部  作者:姜向伟 张诗按 齐静波 倪培根

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图1 当期Nature封面,标题为“Compact Source”

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图2 基于激光尾波场加速的台式化自由电子激光装置示意图

  在国家重大科研仪器研制项目(批准号:11127901)等的资助下,中国科学院上海光学精密机械研究所强场物理国家重点实验室研究团队在基于激光加速器的小型化自由电子激光研究方面取得突破性进展,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。该成果以“基于激光尾场加速器的27纳米自由电子激光发射(Free-electron lasing at 27 nanometres based on a laser wakefield accelerator)”为题,于2021年7月22日作为封面文章发表于《自然》(Nature)杂志,文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03678-x。

  自由电子激光是当前产生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用于探测物质内部动态结构和研究光与原子、分子和凝聚态物质的相互作用过程,极大地促进凝聚态物理学、化学、结构生物学、医学、材料、能源、环境等多学科的发展。研制小型化、低成本的X射线自由电子激光对于应用拓展和技术变革极其重要。

  超强超短激光驱动的尾波场加速机制为小型化的电子加速器研制提供了新途径。近年来,激光尾波场加速已经取得许多重要进展,但是对于台式化的自由电子激光而言,无论是电子束品质还是稳定性,都还面临着诸多问题与挑战,相关研究还处于起步阶段。自2012年,美、德、法、日、意等国家纷纷立项开展台式化自由电子激光的研制。

  为了完成国家重大科研仪器研制项目的科学目标,在国际竞争中保持领先,上海光机所研究团队充分发扬“十年磨一剑”的精神,进行了长达八年的研究。他们将研究重点聚焦于激光加速电子束品质与稳定性的提升,设计了一种特殊的等离子体密度分布结构,优化电子束的注入过程与加速过程,使得电子束综合品质(包括能散、发射度、电量等)得到有效的提升;通过控制与优化电子束相空间演化实现了电子束从等离子体到真空的平稳过渡,并设计相应的束流传输与波荡器辐射系统,实现了电子束长距离传输并有效耦合进波荡器中。研究团队首次在实验上观测到极紫外波段的辐射信号,辐射中心波长27纳米,单脉冲辐射能量最高可达150纳焦。通过轨道偏移以及自发辐射定标等方法证明了最后一段波荡器中能量增益高达100倍。这是国际上首次实现基于激光电子尾波场加速器的极紫外波段自发辐射放大输出,对于台式化、小型化、低成本的X射线自由电子激光器的研制具有重大意义。

  《自然》杂志发文对该工作给予了评价,“…研究团队在《自然》发文报道了小型化X射线自由电子激光器的一个里程碑成果…” ; “作者们的实验为极小型加速器驱动的自由电子激光开拓了道路,这种小型化加速器或许可以安置在校级规模的设施中。一种新工具若要推动新发现,就需要具备可获用性,这项工作有望让世界上更多的人用上自由电子激光”。

  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。仪器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。