光是我們認識世界的重要媒介。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展。來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機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)計的緊湊型束流傳輸與輻射系統(tǒng)，實驗上首次實現(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10納米級，單脈沖能量可達100納焦級。

“這項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驗驗證，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。”王文濤強調(diào)。

超強超短激光驅(qū)動的尾波場電子加速機制，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(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，上海光機所研究團隊一直致力于激光加速電子束品質(zhì)與穩(wěn)定性的提升。功夫不負有心人，研究團隊最終成功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(fā)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(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。”王文濤強調(diào)。對于這項工作，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)讀者可以欣賞實驗研究團隊所取得的重大成就，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現(xiàn)表示祝賀……”

研究團隊未來將進一步提升自由電子激光的輸出功率和光子能量，并將這項研究成果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(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