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缩小100倍!自由电子激光装置如何从“公里级”到“台式化”?

时间:2021-07-22

缩小100倍!自由电子激光装置如何从“公里级”到“台式化”?(图1)

缩小100倍!自由电子激光装置如何从“公里级”到“台式化”?(图2)

7月22日,中国科学院上海光学精密机械研究所基于激光加速器的小型化自由电子激光研究成果,作为封面文章刊登上了《自然》杂志。

中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室,利用自行研制的超强超短激光装置,显著提升了激光尾波场加速的电子束品质。同时,研究团队结合创新设计的紧凑型束流传输与辐射系统,首次实现了基于激光加速器的自由电子激光放大输出,典型激光波长27纳米,最短激光波长可达10纳米级,单脉冲能量可达100纳焦级,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,对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。

缩小100倍!自由电子激光装置如何从“公里级”到“台式化”?(图3)

新建成的紧凑型束流传输与波荡器辐射出光实验装置。

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,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,极大地促进表面物理、半导体物理、凝聚态物理、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射线自由电子激光成为重要的发展方向,对于拓展应用和产生变革型技术都是极其重要的。

缩小100倍!自由电子激光装置如何从“公里级”到“台式化”?(图4)

实验室场景。

超强超短激光驱动的尾波场电子加速机制,可以提供比射频电子加速器高三个数量级以上的超高加速梯度,因而成为研制小型化高能电子加速器的主要技术路线。2004年,美、法、英等国的科学家首次在实验上取得激光尾波场电子加速的突破。此后,利用激光尾波场加速器驱动的小型化自由电子激光,特别是X射线波段的自由电子激光,便成为该领域科学家共同追求的前沿目标。目前,世界上已经建好并正在运行的X射线自由电子激光装置仅有8台,但它们的规模达到了“公里级”。中国科学院上海光学精密机械研究所的新成果,将“公里级”的装置“台式化”缩小为十二米的装置,为发展小型化、低成本自由电子激光器迈出了至关重要的一步。

缩小100倍!自由电子激光装置如何从“公里级”到“台式化”?(图5)

自由电子激光辐射输出信号诊断。

尽管激光尾波场加速已经取得许多重要进展,但是对于驱动自由电子激光而言,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,相关的研究还处于起步阶段。多年来,中国科学院上海光学精密机械研究所的研究团队一直致力于激光加速电子束品质与稳定性的提升,通过设计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。同时,通过控制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上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,并通过轨道偏移以及自发辐射定标等方法证实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加速器的极紫外波段的自发辐射放大输出,对于小型化、低成本的X射线自由电子激光器的研制具有重大意义。

缩小100倍!自由电子激光装置如何从“公里级”到“台式化”?(图6)

实验室场景。

国际同行对这项研究成果给予了高度评价,“该成果是激光尾波场领域自2004年《自然》‘梦之束’报道以来又一里程碑式的成果…科学成就是突出的,这是毫无疑问的…这个里程碑将为新的应用创造新的可能...”“...代表了基于等离子体加速的紧凑型自由电子激光发展的重要一步…所报道的技术将对同行科研人员产生重大影响,是一项重大的技术突破...”

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

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