自由電子激光器是一種利用自由電子的受激輻射，把相對論電子束的能量轉換成相干輻射的激光器件，可應用在眾多領域，具有廣闊的市場應用前景，而要想自由驅動自由電子激光器，就必須對電子進行加速。科學家們一直嘗試各種方法刺激電子，最近，他們利用拍瓦激光器成功將電子加速到2GeV。
激光—等離子體加速的想法，于上世紀70年代末，由德克薩斯大學奧斯汀分校物理學家Toshiki Tajima和加州大學洛杉磯分校物理學家John Dawson共同提出。從上世紀90年代開始，科學家一直嘗試在實驗上驗證這一概念，但是受到激光器功率的限制，最大能量多年來一直徘徊在1 GeV左右。
近期，德克薩斯大學奧斯汀分校Mike Downer教授的研究小組成功地在1英寸的距離內將約5億個電子加速到2 GeV。研究結果發表在《自然•通訊》雜志（Nat. Commun. 4, 1988）上。
Downer說：“到目前為止，將電子加速到2 GeV這一級別的能量需要長度超過2個足球場的傳統加速器，而我們實驗中所用的設備尺寸縮減了近10,000倍。2GeV加速器產生的電子可以轉換成‘硬’X射線，亮度比肩大型裝置產生的X射線。對實驗條件進一步優化后，我們甚至可以驅動X射線自由電子激光器——目前可用的最亮X射線源。”
圖1：德克薩斯大學奧斯汀分校的臺式實驗裝置。
臺式X射線激光將為化學家和生物學家帶來巨大變革：他們可以使用這種高亮度的X射線在原子精度和飛秒時間分辨率上研究物質和生命的分子基礎，而無需使用大型的國家裝置。
Downer說：“我們能夠產生的這種X射線具有飛秒量級的脈寬，分子振動和最快的化學反應就發生在這個時間尺度上。例如，這種X射線具有足夠高的能力和亮度，使我們能夠看見活體樣本中單個蛋白質分子的原子結構。”
Downer和他的同事利用激光—等離子體加速產生能量高到足以產生X射線的電子；該方法使用超短超強激光脈沖轟擊氣體云團，使其電離形成等離子體。Downer說：“該方法還能夠記錄自身內部結構。首先，將電子從背景離子中分離出來，并創建巨大的內部空間電荷場。接著，帶電粒子從等離子體中溢出，被空間電荷場俘獲，以接近光速的速度沿激光脈沖前進方向移動，并在空間電荷場中獲得加速。”
該研究小組在實驗中使用了Texas拍瓦激光器，因而他們所使用的氣體密度遠遠低于前期實驗中的氣體密度。Downer說：“氣體密度越低，激光脈沖傳輸速度越快。但是，就前幾代激光器而言，如果氣體密度過低，就沒有足夠的電子注入到加速器中，因而什么也得不到。”
圖2：真空腔室的內部布局：激光束從右側射入；氣體噴嘴放置腔室中心位置，其內部發生電子加速。實際加速距離大約為1英寸。
Downer說：“現在，2GeV加速器的可操作行已經得到了證實，預計未來幾年內將研發出10GeV加速器，可用于做生物學家和化學家所期望的X射線分析。我認為，實現10GeV電子產生無需重大突破。如果我們能夠保證未來幾年的研究經費到位的話，所有這一切都可以發生。現在，市場上已經開始銷售商用拍瓦激光器。只要我們能夠做的更好，生產商就將可以開發出10GeV加速器模塊。然后，化學家和生物學家等終端用戶就可以獲得更多的創新和發現。我還相信，未來十年內就可以研發出類似規模（幾厘米長）的20GeV加速器。”
成功將電子加速到2GeV，讓驅動X射線自由電子激光器成為了可能，是科學領域的一大突破，同時2GeV加速器的可操作性也將為生化學和化學領域帶動一定的技術變革，從而促使他們獲得更好更大的發現。
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