十米级！小型化自由电子激光器首次“发光”

本期《自然》封面。图片来源：上海光机所

中科院上海光学精密机械研究所（以下简称上海光机所）强场激光物理国家重点实验室团队，利用自主研制的高性能重频超强超短激光装置，驱动产生了高品质的电子束，并首次实现自由电子激光放大输出，在国际上率先完成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。7月22日，相关论文以封面文章的形式刊登于《自然》。

该研究成果被国际同行评价为“又一里程碑成果，将为新的应用创造更多可能”。

从公里缩短到十余米

自由电子激光被称为第四代光源，可提供从远红外到X射线波段的高亮度相干辐射。“迄今为止，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。”论文共同第一作者、上海光机所研究员王文涛告诉《中国科学报》。X射线自由电子激光可用于探测物质内部动态结构，极大地促进物理、化学、结构生物学、材料、能源等多学科发展。

在国际上，目前已建好或正在运行的X射线自由电子激光装置基于射频直线电子加速器建设而成，仅有8台，规模从数百米到公里级。为了实现更进一步的应用和普及，利用台式化的电子加速器发展小型化、低成本的自由电子激光器，成为许多科学家梦寐以求的目标。

超强超短激光驱动的尾波场加速机制，可以提供比射频加速器高3个数量级以上的超高加速梯度，因而成为研制小型化电子加速器的主要技术路线之一。王文涛解释道：“快艇在湖水上飞驰会激发波浪，如果放一片树叶，树叶就会跟着浪快速往前走。同样，激光作用于等离子体，会形成一系列尾波，电子进入尾波，会在尾波中以接近光速的速度前进，加速到高能量。”

最终，研究团队设计出“新一代超强超短激光综合实验装置”，将自由电子激光装置由公里级缩小为目前十米级。

首次实现自由电子激光

其实，早在2004年，美、法、英等国科学家就已实验验证激光可以加速一定品质的电子束，并将其称为“梦之束”。自此之后，利用激光尾波场加速器研制小型化自由电子激光，成为该领域科学家共同追求的前沿。

然而，17年来，激光尾波场加速研究虽有重要进展，但迟迟未能产生自由电子激光。“自由电子激光对电子束品质要求非常高，而我们在这方面的研究保持国际领先。”论文共同第一作者、上海光机所特别研究助理冯珂告诉《中国科学报》。

研究团队通过设计特殊的等离子体密度分布结构，优化控制电子束的注入过程与加速过程，使得电子束综合品质得到有效提升。同时，通过控制与优化电子束相空间演化，他们实现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，实现电子束长距离传输并有效耦合至波荡器中。

研究团队首次在实验中观测到极紫外波段的辐射信号，典型的辐射波长27纳米，单脉冲辐射能量最高可达150纳焦级。通过轨道偏移以及自发辐射定标等方法证明最后一段波荡器中能量增益高达100倍。

不过，“目前仅是实验验证小型化、低成本自由电子激光加速器可以发射自由电子激光，距离工程化应用还有很长的距离。”上海光机所副所长、强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣强调。

“不见出光誓不还”

2012年，上海光机所“新一代超强超短激光综合实验装置”项目团队成立，承担国家自然科学基金委首批重大仪器专项的科研攻坚任务。

“加班奋战三百天，不见出光誓不还。”在这支队伍成立之初，实验研究团队就在实验室屏幕上写下了这一句话。但距离这次重大突破，他们用了3000余天。其间，在激烈的国际竞争中，这支队伍不断交出优异成绩：2015年6月，自主研制的超强超短激光装置成功运行；2016年9月，实验获得激光尾波场电子加速领域电子束世界最高亮度；2018年1月，同时承担上海超强超短激光实验装置（“羲和”激光装置）的建设；2019年8月，实现台式化自由电子激光放大输出；2019年12月，完成“新一代超强超短激光综合实验装置”现场测试和全部指标的验收……

当时这支队伍中，35岁以下青年比例达到75%。正是这些年轻人勇于投身基础研究，甘于坐“冷板凳”才能取得今天的突破。在上海光机所，这支队伍是其“一体两翼”的重要组成部分。

上海光机所所长邵建达介绍，该研究所以强激光科学与技术为“主体”，激光物理与材料物理为“两翼”，坚持需求导向和前瞻引领，夯实研究所在本领域基础研究方面的领先优势，加快原始创新和关键核心技术攻关。

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“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，实现开放共享。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03678-x

（原载于《中国科学报》 2021-07-23 第1版 要闻）