自由电子激光|我科学家完成小型自由电子激光器原理实验验证

光是我们认识世界的重要媒介。人类能看到的光在光谱上只是很窄的一段，在可见光之外，还存在着各种波长的电磁波。它们虽然不能直接帮我们用肉眼观察多彩的世界，但是它们各自都有着不可替代的用武之处， X射线就是其中的典型代表。
7月21日，《自然》以封面文章的形式报道我国科学家在小型化X射线自由电子激光研究中取得的突破性进展。来自中国科学院上海光学精密机械研究所的研究人员，通过显著提升激光尾波场加速的电子束品质，并结合创新设计的紧凑型束流传输与辐射系统，实验上首次实现了基于激光加速器的自由电子激光放大输出，典型激光波长27纳米，最短激光波长可达10纳米级，单脉冲能量可达100纳焦级。
“这项研究在国际上率先完成了台式化自由电子激光器原理的实验验证，对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。 ”中科院上海光机所研究员王文涛说。自由电子激光是一种全新的高亮度X射线光源，可用于探测物质内部动态结构和研究光与原子、分子和凝聚态物质的相互作用过程。
自由电子激光的出现极大地促进了表面物理、半导体物理、凝聚态物理、化学、结构生物学、医学、材料、能源、环境等多学科的发展。 “研制小型化、低成本的X射线自由电子激光器成为其重要的发展方向，对于拓展应用和产生变革型技术都是极其重要的。 ”王文涛强调。
超强超短激光驱动的尾波场电子加速机制，可以提供比射频电子加速器高3个数量级以上的超高加速梯度，因而成为研制小型化高能电子加速器的主要技术路线。
自2004年美、法、英等国科学家首次在实验上取得激光尾波场电子加速的突破以来，利用激光尾波场加速器驱动的小型化自由电子激光器，特别是X射线波段的自由电子激光器，便成为该领域科学家共同追求的前沿。
王文涛介绍，激光尾波场加速近年来已经取得许多重要进展，但是对于驱动自由电子激光而言，无论是电子束品质还是稳定性，都还面临着诸多问题与挑战，相关的研究还处于起步阶段。多年来，上海光机所研究团队一直致力于激光加速电子束品质与稳定性的提升。功夫不负有心人，研究团队最终成功首次在实验上观测到极紫外波段的辐射信号，典型的辐射波长27纳米，单脉冲辐射能量最高可达150纳焦，并通过轨道偏移以及自发辐射定标等方法证明了最后一段波荡器中能量增益高达100倍。
【自由电子激光|我科学家完成小型自由电子激光器原理实验验证】“这是国际上首次实现基于激光电子加速器的极紫外线波段的自发辐射放大输出。 ”王文涛强调。对于这项工作，同行专家给予了高度评价， “该成果是激光尾波场领域自2004年《自然》‘梦之束’报道以来的又一里程碑式的成果……科学成就是突出的，这是毫无疑问的……这个里程碑将为新的应用创造新的可能……”“……作者的工作是一流的，让最广泛的相关读者可以欣赏实验研究团队所取得的重大成就，我对在一个重要的新兴领域的里程碑——基于等离子体加速技术的小型自由电子激光器的实现表示祝贺……”
研究团队未来将进一步提升自由电子激光的输出功率和光子能量，并将这项研究成果作为上海超强超短激光实验装置（“羲和”激光装置）中超快化学与大分子动力学研究平台的重要组成部分，提供开放共享。