中國科學院上海應用物理研究所自由電子激光團隊于近日完成了一項新的自由電子激光實驗，在上海深紫外自由電子激光裝置（SDUV-FEL）上，利用相對論電子束團在溝槽金屬結構中激起的尾場，對電子束縱向相空間的非線性進行了補償，并成功實現了自由電子激光輻射光譜的操控和改善。
作為第四代先進光源，自由電子激光由高亮度電子束團驅動，然而由于微波電場加速和束團長度壓縮，直線加速器產生的電子能量在束團縱向尺度上不可避免地呈非均勻分布。電子束團的這種不均勻性，將減緩自由電子激光增益，并破壞其縱向相干性。因此在短波長自由電子激光裝置中，人們提出了偏峰加速和高次諧波結構兩種方法，來分別補償電子束團縱向相空間的線性和非線性變化。
2012年，美國SLAC實驗室的K.Bane和G.Stupakov提出了金屬溝槽結構補償電子束團能量的概念（Nucl.Instr.Meth.A690(2012)106），束流在經過溝槽結構時激起尾波場，可以補償電子束團縱向相空間的線性耦合。相對于其他方法，溝槽結構由于其簡單、被動性、高性價比等特點，得到了國際加速器界的高度關注。2013年，美國SLAC和LBNL實驗室的科學家通力合作，在韓國PAL實驗室70Mev直線加速器上，成功地利用溝槽結構補償了電子束團縱向相空間的線性耦合（Phys.Rev.Lett.112(2014)034801）。
2012年，上海應用物理研究所自由電子激光團隊研究發現，通過匹配金屬溝槽結構參數，也能補償電子束團縱向相空間的非線性耦合（QiangGuetal.,ProceedingsofLINAC2012,Tel-Aviv,Israel,525-527）。2013年，自由電子激光團隊提出在SDUV-FEL開展電子束團非線性補償的實驗方案，并經過一年的努力，將金屬溝槽真空腔等硬件集成到了SDUV-FEL。2014年04月，經過精心調試，研究人員利用金屬溝槽結構，成功地補償了電子束團縱向相空間的非線性耦合，同時完成了自由電子激光輻射光譜改善和電子束團能散降低的測量。這是國際上首次將金屬溝槽結構運行在自由電子激光裝置中。
金屬溝槽結構在SDUV-FEL的成功實驗運行，對當前及未來自由電子激光等大科學裝置的發展具有重要的實際意義并且產生深遠的影響。目前，國際上，美國SLAC實驗室已經準備將金屬溝槽結構應用到其X射線FEL用戶裝置中；在國內，金屬溝槽結構有望在建設中的大連相干光源、上海軟X射線自由電子激光、上海交通大學超快電子透鏡等裝置中得到應用。
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