自由電子激光器（FINE）產(chǎn)生的極強(qiáng)光脈沖是研究中的通用工具。特別是在X射線范圍內(nèi)，它們可以用于分析各種材料的原子結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，并以極高的精度跟蹤基本的超快過(guò)程。

到目前為止，諸如德國(guó)的歐洲XFEL之類的FEL一直基于傳統(tǒng)的電子加速器，這使得它們又長(zhǎng)又昂貴。由法國(guó)Synchrotron SOLEIL和德國(guó)Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)在通往經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的替代解決方案的道路上取得了突破：他們能夠基于一種仍然年輕的技術(shù) - 激光等離子體加速，在紫外線狀態(tài)下演示種子FEL激光。

在未來(lái)，這可能允許研究人員構(gòu)建更緊湊的系統(tǒng)，這將大大擴(kuò)展FEL的可能應(yīng)用。該研究合作在Nature Photonics雜志上展示了他們的結(jié)果。

X射線自由電子激光器是世界上最強(qiáng)大，但也最復(fù)雜的研究機(jī)器之一。原理：在強(qiáng)大的射頻波的幫助下，加速器使電子接近光速。然后，捆綁成束的粒子飛過(guò)“波動(dòng)器”——一種具有周期替場(chǎng)的磁鐵排列，迫使電子束進(jìn)入激流回旋路徑。

這導(dǎo)致束重新組織成許多較小的電子組 - 微束，它們一起發(fā)出極其強(qiáng)大的激光狀光脈沖。然后，這些可用于破譯以前未知的材料特性或跟蹤極快的過(guò)程，例如在千萬(wàn)億分之一秒內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

然而，價(jià)值數(shù)十億美元的歐洲XFEL和其他類似的基礎(chǔ)設(shè)施有一個(gè)缺點(diǎn)：“它們有幾百米甚至幾公里長(zhǎng)，”HZDR輻射物理研究所所長(zhǎng)Ulrich Schramm教授說(shuō)。這就是為什么我們正在研究一種替代技術(shù)，使這些設(shè)施更小，更具成本效益，然后它們將來(lái)可以更接近大學(xué)和行業(yè)的用戶�；�礎(chǔ)是一種仍在開發(fā)中的新型加速器技術(shù)——激光等離子體加速。

“使用高功率激光器，我們發(fā)射短而超強(qiáng)的光閃光到等離子體中，等離子體是一種帶負(fù)電的電子和帶正電的離子的電離氣體，”HZDR物理學(xué)家Arie Irman博士解釋說(shuō)。“在等離子體中，光脈沖然后產(chǎn)生強(qiáng)烈的交變電場(chǎng)波，類似于船舶的尾流。這種波可以在很短的距離內(nèi)迅速將電子加速到更高的速度。原則上，這可以將現(xiàn)在一百米長(zhǎng)的加速器縮小到遠(yuǎn)小于一米的長(zhǎng)度。

成功的團(tuán)隊(duì)合作

原則上，電子長(zhǎng)期以來(lái)一直使用這種技術(shù)加速。但直到最近，盡管仍處于早期階段，已經(jīng)有可能從等離子體加速器通過(guò)波動(dòng)器發(fā)送如此快速的粒子束，然后將它們轉(zhuǎn)換為激光閃光。為了首次產(chǎn)生由等離子體加速度驅(qū)動(dòng)的可控FEL激光，HZDR與法國(guó)同步加速器SOLEIL的專家合作。

“安裝在德累斯頓的等離子體加速器，由高功率激光DRACO驅(qū)動(dòng)，提供了高光束質(zhì)量的快速電子束，”SOLEIL物理學(xué)家Marie-Emmanuelle Couprie博士說(shuō)。

“在它背后，我們隨后建造了一個(gè)波動(dòng)器以及相關(guān)的加速器光束線，該波浪線之前已經(jīng)針對(duì)電子束傳輸方法、波動(dòng)器輻射的產(chǎn)生、種子的產(chǎn)生和整形進(jìn)行了優(yōu)化，包括重疊問(wèn)題和方法，在法國(guó)等離子加速器實(shí)驗(yàn)室和里爾的 PhLAM 聯(lián)合進(jìn)行了幾年。”

為了在紫外線（UV）范圍內(nèi)產(chǎn)生FEL激光閃光，研究人員必須解決幾個(gè)基本問(wèn)題。“我們必須生產(chǎn)含有大量電子的粒子束，”Irman解釋說(shuō)。“與此同時(shí)，重要的是這些電子擁有盡可能相等的能量。

為了防止電子束發(fā)散得太快，使用了一種精致的技巧：所謂的等離子透鏡。此外，該團(tuán)隊(duì)部署了一種稱為“播種”的方法：與電子束同步，他們將外部激光脈沖射入波動(dòng)器，這對(duì)于加速FEL過(guò)程至關(guān)重要，并且可以改善FEL激光閃光的光束質(zhì)量。

激光技術(shù)的突破

通過(guò)這種設(shè)置，該團(tuán)隊(duì)終于能夠?qū)崿F(xiàn)其目標(biāo)：正如所希望的那樣，等離子驅(qū)動(dòng)的FEL演示產(chǎn)生了超短紫外激光閃光。“15年來(lái)，先進(jìn)加速器物理學(xué)界的人們一直夢(mèng)想著實(shí)現(xiàn)這樣的自由電子激光器，”Ulrich Schramm說(shuō)。“你可以想象我們現(xiàn)在在德累斯頓實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是多么高興。

對(duì)于Arie Irman來(lái)說(shuō)，夢(mèng)想也成真了：“等離子體驅(qū)動(dòng)的自由電子激光器一直被認(rèn)為是我們領(lǐng)域最重要的里程碑之一。通過(guò)我們的實(shí)驗(yàn)，我們現(xiàn)在已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。

在基于等離子體的FEL投入實(shí)際使用之前，仍有各種挑戰(zhàn)需要克服。例如，雖然德累斯頓的設(shè)施能夠產(chǎn)生紫外線脈沖，但研究需要高強(qiáng)度的X射線閃光 - 為此電子必須加速到更高的能量。

“這在原則上已經(jīng)通過(guò)等離子體加速得到證明，但到目前為止，電子束的質(zhì)量對(duì)于X射線FEL來(lái)說(shuō)仍然太差和太不穩(wěn)定，”Schramm說(shuō)。“但有了新一代高功率激光器，我們希望解決這個(gè)問(wèn)題。如果這項(xiàng)努力成功，自由電子激光器將來(lái)可以進(jìn)入研究所的地下室，因此可以提供給比今天更多的研究團(tuán)隊(duì)。

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