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新進(jìn)展！ 我國科學(xué)家完成臺式化自由電子激光器原理驗(yàn)證
2021年07月22日 11:05:12
來源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：8345
中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于激光加速器的自由電子激光放大輸出。團(tuán)隊(duì)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)，輸出的典型激光波長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。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】光由光子波組成，是人類認(rèn)識世界的重要媒介。目前，肉眼可見光只是光譜上萬分之一。在可見光之外，還存在著電磁波，其具有不可替代的作用，X射線就是重要代表。
7月21日，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。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于激光加速器的自由電子激光放大輸出。團(tuán)隊(duì)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)，輸出的典型激光波長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。這一突破性研究作為封面文章刊登于雜志《自然》。
在此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，自由電子激光產(chǎn)生在大科學(xué)裝置里經(jīng)歷公里級的“漫長旅程”，縮短到十?dāng)?shù)米。輸出前后二者差距較大，打個比方，自由電子激光的輸出就如同飛機(jī)起飛前滑行蓄力，現(xiàn)在彈射就行。實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)克服了重重考驗(yàn)。其中，最重要的是保證電子束的抖動不能大于0.1毫弧度，這相當(dāng)于要在4公里外準(zhǔn)確擊中一個乒乓球。同時，本項(xiàng)研究也意味著我國在國際上率先完成了臺式化自由電子激光原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這對于發(fā)展小型化、低成本自由電子激光器具有重大意義。
自由電子激光是一種全新的高亮度X射線光源，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。它的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了半導(dǎo)體物理、表面物理、凝聚態(tài)物理、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、能源、材料、環(huán)境等多學(xué)科的發(fā)展。
自由電子激光重要發(fā)展方向之一就是研制小型化、低成本的X射線自由電子激光器，這項(xiàng)研究對生產(chǎn)變革型技術(shù)和拓展應(yīng)用十分重要。此外，超短、超強(qiáng)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，成為研制小型化高能電子加速器的主要技術(shù)路線。
迄今為止，自由電子激光是實(shí)現(xiàn)x射線波段高亮度相干光源的最佳技術(shù)途徑。自2004年，美、法、英等國科學(xué)家取得激光尾波場電子加速的突破，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)家共同追求的技術(shù)。
中科院上海光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)多年來一直致力于激光加速電子束品質(zhì)與穩(wěn)定性的提升。2011年，團(tuán)隊(duì)突破激光電子加速中電子注入與電子加速這兩個基本物理過程無法分離與分別控制的重大瓶頸，利用兩級級聯(lián)的激光加速獲得“十億電子伏特”級準(zhǔn)單能電子束，我國在該領(lǐng)域的研究具有較高的起點(diǎn)。
在2014年至2016年間，研究團(tuán)隊(duì)利用實(shí)驗(yàn)室自行研制的200太瓦激光裝置，獲得了高亮度、高品質(zhì)的高能電子束，這接近直線加速器上所能獲得的電子束亮度。在最近兩年多時間里，研究團(tuán)隊(duì)通過特定的等離子體密度分布，在獲得低能散的同時，保持了電子獲得高效加速。
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。未來，研究團(tuán)隊(duì)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。
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