上海光机所小型化自由电子激光研究取得突破性进展

作者:解敏 来源:东方网

  东方网记者解敏7月22日报道:“该成果是又一里程碑式的成果…科学成就是突出的,这个里程碑将为新的应用创造新的可能...”;“...代表了基于等离子体加速的紧凑型自由电子激光发展的重要一步…将对同行科研人员产生重大影响,是一项重大的技术突破...”——来自同行的评价。

  自由电子激光是目前最先进的激光,波长可调谐,具有超高峰值亮度、超快时间分辨、超高空间分辨的特点,可运用于几乎所有基础研究领域。如同计算机实现从电子管到晶体管再到集成电路的小型化发展趋势,将产生自由电子激光的装置台式化,能进一步普及各领域更高性能设备的研制,对人类生活产生更大影响。

  中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室,利用自行研制的具有国际领先综合性能的超强超短激光装置,在基于激光加速器的小型化自由电子激光研究方面取得突破性进展。相关研究成果于今天,作为封面文章发表于《自然》(Nature)杂志。

  研究团队通过显著提升激光尾波场加速的电子束品质,并结合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,国际率先完成了台式化自由电子激光原理的实验验证,对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。 

  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三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。近年来,激光尾波场加速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,通过设计特殊的等离子体密度分布结构,优化控制电子束的注入过程与加速过程,使得电子束综合品质(包括能散、发射度、电量等)得到有效的提升。研究团队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。这是国际上首次实现基于激光电子加速器的极紫外波段的自发辐射放大输出,对于小型化、低成本的X射线自由电子激光器的研制具有重大意义。

  未来,研究团队将进一步提升自由电子激光的输出功率和光子能量,并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。