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新進(jìn)展！ 我國(guó)科學(xué)家完成臺(tái)式化自由電子激光器原理驗(yàn)證
2021年07月22日 11:05:12
來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：8289
中國(guó)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(guò)顯著提升激光尾波場(chǎng)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(zhǎng)27納米，最短激光波長(zhǎng)可達(dá)10納米級(jí)，單脈沖能量可達(dá)100納焦級(jí)。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】光由光子波組成，是人類認(rèn)識(shí)世界的重要媒介。目前，肉眼可見(jiàn)光只是光譜上萬(wàn)分之一。在可見(jiàn)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(guó)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(guó)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(guò)顯著提升激光尾波場(chǎng)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(zhǎng)27納米，最短激光波長(zhǎng)可達(dá)10納米級(jí)，單脈沖能量可達(dá)100納焦級(jí)。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(jí)的“漫長(zhǎng)旅程”，縮短到十?dāng)?shù)米。輸出前后二者差距較大，打個(gè)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(guò)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(dòng)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(gè)乒乓球。同時(shí)，本項(xiàng)研究也意味著我國(guó)在國(guó)際上率先完成了臺(tái)式化自由電子激光原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這對(duì)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(cè)物質(zhì)內(nèi)部動(dòng)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(guò)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(duì)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(dòng)的尾波場(chǎng)電子加速機(jī)制，可以提供比射頻電子加速器高3個(gè)數(shù)量級(jí)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(guó)科學(xué)家取得激光尾波場(chǎng)電子加速的突破，利用激光尾波場(chǎng)加速器驅(qū)動(dòng)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(lái)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(gè)基本物理過(guò)程無(wú)法分離與分別控制的重大瓶頸，利用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的激光加速獲得“十億電子伏特”級(jí)準(zhǔn)單能電子束，我國(guó)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(shí)間里，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)特定的等離子體密度分布，在獲得低能散的同時(shí)，保持了電子獲得高效加速。
激光尾波場(chǎng)加速近年來(lái)已經(jīng)取得許多重要進(jìn)展，但是對(duì)于驅(qū)動(dòng)自由電子激光而言，無(wú)論是電子束品質(zhì)還是穩(wěn)定性，都還面臨著諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，相關(guān)的研究還處于起步階段。未來(lái)，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(dòng)力學(xué)研究平臺(tái)的重要組成部分，提供開放共享。
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