超快、超高、超強！自由電子激光的出現，提供了一種全新的高亮度X射線光源，有助于超快化學、結構生物學、物質材料等領域的研究。
《自然》封面 光機所 供圖
如何讓X射線自由電子激光器的研制更小型化、低成本？在上海嘉定，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室，利用自行研制的具有國際領先綜合性能的超強超短激光裝置，在基于激光加速器的小型化自由電子激光研究方面取得突破性進展。
實驗室 光機所 供圖
研究團隊通過顯著提升激光尾波場加速的電子束品質，并結合創新設計的緊湊型束流傳輸與輻射系統，實驗上首次實現了基于激光加速器的自由電子激光放大輸出，典型激光波長27納米，最短激光波長可達10納米級，單脈沖能量可達100納焦級，國際率先完成了臺式化自由電子激光原理的實驗驗證，對于發展小型化、低成本自由電子激光器具有重大意義。相關研究成果于2021年7月22日作為封面文章發表于《自然》雜志。
電子激光原理。光機所 供圖
電子激光原理。光機所 供圖
自由電子激光是實現X射線波段高亮度相干光源的迄今最佳技術途徑，X射線自由電子激光可用于探測物質內部動態結構和研究光與原子、分子和凝聚態物質的相互作用過程，極大的促進物理、化學、結構生物學、醫學、材料、能源、環境等多學科的發展。研制小型化、低成本的X射線自由電子激光成為其重要的發展方向，對于拓展應用和產生變革型技術都是極其重要的。
超強超短激光驅動的尾波場電子加速機制，可以提供比射頻電子加速器高三個數量級以上的超高加速梯度，因而成為研制小型化高能電子加速器的主要技術路線。
國際上自2004年首次在實驗上取得激光尾波場電子加速的突破以來，利用激光尾波場加速器驅動的小型化自由電子激光，特別是X射線波段的自由電子激光，便成為該領域科學家共同追求的前沿。
近年來，激光尾波場加速已經取得許多重要進展，但是對于驅動自由電子激光而言，無論是電子束品質還是穩定性，都還面臨著諸多問題與挑戰，相關的研究還處于起步階段。中科院上海光機所研究團隊一直致力于激光加速電子束品質與穩定性的提升，通過設計特殊的等離子體密度分布結構，優化控制電子束的注入過程與加速過程，使得電子束綜合品質（包括能散、發射度、電量等）得到有效的提升。
同時，通過控制與優化電子束相空間演化實現了電子束從等離子體到真空的平穩過渡，并設計相應的束流傳輸與波蕩器輻射系統，實現電子束長距離傳輸并有效耦合至波蕩器中。研究團隊首次在實驗上觀測到極紫外波段的輻射信號，典型的輻射波長27納米，單脈沖輻射能量最高可達150納焦，并通過軌道偏移以及自發輻射定標等方法證明了最后一段波蕩器中能量增益高達100倍。
這是國際上首次實現基于激光電子加速器的極紫外波段的自發輻射放大輸出，對于小型化、低成本的X射線自由電子激光器的研制具有重大意義。
未來，研究團隊將進一步提升自由電子激光的輸出功率和光子能量，并作為上海超強超短激光實驗裝置（“羲和”激光裝置）中超快化學與大分子動力學研究平臺的重要組成部分，提供開放共享。
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