光是我們認(rèn)識世界的重要媒介。人類能看到的光在光譜上只是很窄的一段，在可見光之外，還存在著各種波長的電磁波。它們雖然不能直接幫我們用肉眼觀察多彩的世界，但是它們各自都有著不可替代的用武之處，X射線就是其中的典型代表。

7月21日，《自然》以封面文章的形式報(bào)道我國科學(xué)家在小型化X射線自由電子激光研究中取得的突破性進(jìn)展。來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的研究人員，通過顯著提升激光尾波場加速的電子束品質(zhì)，并結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計(jì)的緊湊型束流傳輸與輻射系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)現(xiàn)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(dá)10納米級，單脈沖能量可達(dá)100納焦級。

“這項(xiàng)研究在國際上率先完成了臺式化自由電子激光器原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對于發(fā)展小型化、低成本自由電子激光器具有重大意義。”中科院上海光機(jī)所研究員王文濤說。自由電子激光是一種全新的高亮度X射線光源，可用于探測物質(zhì)內(nèi)部動態(tài)結(jié)構(gòu)和研究光與原子、分子和凝聚態(tài)物質(zhì)的相互作用過程。

自由電子激光的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了表面物理、半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料、能源、環(huán)境等多學(xué)科的發(fā)展。“研制小型化、低成本的X射線自由電子激光器成為其重要的發(fā)展方向，對于拓展應(yīng)用和產(chǎn)生變革型技術(shù)都是極其重要的。”王文濤強(qiáng)調(diào)。

超強(qiáng)超短激光驅(qū)動的尾波場電子加速機(jī)制，可以提供比射頻電子加速器高3個數(shù)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(shù)路線。

自2004年美、法、英等國科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)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(qū)動的小型化自由電子激光器，特別是X射線波段的自由電子激光器，便成為該領(lǐng)域科學(xué)家共同追求的前沿。

王文濤介紹，激光尾波場加速近年來已經(jīng)取得許多重要進(jìn)展，但是對于驅(qū)動自由電子激光而言，無論是電子束品質(zhì)還是穩(wěn)定性，都還面臨著諸多問題與挑戰(zhàn)，相關(guān)的研究還處于起步階段。多年來，上海光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)一直致力于激光加速電子束品質(zhì)與穩(wěn)定性的提升。功夫不負(fù)有心人，研究團(tuán)隊(duì)最終成功首次在實(shí)驗(yàn)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(dá)150納焦，并通過軌道偏移以及自發(fā)輻射定標(biāo)等方法證明了最后一段波蕩器中能量增益高達(dá)100倍。

“這是國際上首次實(shí)現(xiàn)基于激光電子加速器的極紫外線波段的自發(fā)輻射放大輸出。”王文濤強(qiáng)調(diào)。對于這項(xiàng)工作，同行專家給予了高度評價，“該成果是激光尾波場領(lǐng)域自2004年《自然》‘夢之束’報(bào)道以來的又一里程碑式的成果……科學(xué)成就是突出的，這是毫無疑問的……這個里程碑將為新的應(yīng)用創(chuàng)造新的可能……”“……作者的工作是一流的，讓最廣泛的相關(guān)讀者可以欣賞實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)所取得的重大成就，我對在一個重要的新興領(lǐng)域的里程碑——基于等離子體加速技術(shù)的小型自由電子激光器的實(shí)現(xiàn)表示祝賀……”

研究團(tuán)隊(duì)未來將進(jìn)一步提升自由電子激光的輸出功率和光子能量，并將這項(xiàng)研究成果作為上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置(“羲和”激光裝置)中超快化學(xué)與大分子動力學(xué)研究平臺的重要組成部分，提供開放共享。(陸成寬)

關(guān)鍵詞： 自由電子激光器 電磁波 X射線 激光尾波場加速