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X射線自由電子激光器，由于可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的相干輻射，且波長向下至次-埃級區(qū)域，因此，已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)和化學(xué)等學(xué)科中不可缺少的應(yīng)用工具。一些X射線自由電子激光設(shè)備正在運(yùn)行中；然而，它們對大型、高成本、最先進(jìn)的射頻加速器的要求，引發(fā)了人們對發(fā)展緊湊和經(jīng)濟(jì)的加速器的極大興趣。

激光尾場加速器(LWFA)，可以承受比射頻加速器高三個(gè)數(shù)量級以上的加速度梯度，被認(rèn)為是驅(qū)動緊湊X射線自由電子激光器的一個(gè)有吸引力的選擇。然而，由于基于激光尾場加速器的電子束質(zhì)量相對較差，因此，實(shí)現(xiàn)此類設(shè)備仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在此，來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的王文濤和劉建生&中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和上海科技大學(xué)的李儒新等研究者，在激光尾場加速器的基礎(chǔ)上，利用電子束實(shí)現(xiàn)了指數(shù)增益條件下的波動輻射放大實(shí)驗(yàn)。相關(guān)論文以題為“Free-electron lasing at 27 nanometres based on a laser wakefield accelerator”于2021年07月21日發(fā)表在Nature上。

在此，研究者報(bào)道了用LWFA加速電子束，產(chǎn)生了具有指數(shù)放大的波動輻射。所產(chǎn)生的輻射，通常集中在27納米的波長，并包含一個(gè)最大的光子數(shù)約為10¹⁰次，對應(yīng)的最大輻射能約為150 nJ。通過軌道沖擊干擾FEL過程，測量了極紫外輻射強(qiáng)度與波動子長度的關(guān)系，從而直接驗(yàn)證了指數(shù)放大效應(yīng)。在設(shè)備的三分之一的波動器中，輻射功率的最大增益約為100倍，從而證實(shí)了在指數(shù)增益條件下的成功操作。

上海光機(jī)所2021年第1篇Nature！

圖1. 基于LWFA的自由電子激光實(shí)驗(yàn)原理圖

上海光機(jī)所2021年第1篇Nature！

圖2. 波動輻射的測量

圖3. 在27納米處的波動輻射測量

綜上所述，該研究成果為利用激光尾場加速器，實(shí)現(xiàn)自由電子激光提供了一個(gè)原理證明，為基于該技術(shù)開發(fā)具有廣泛應(yīng)用前景的致密X射線自由電子激光器鋪平了道路。

此外，有必要進(jìn)一步發(fā)展分析飛秒長電子束的技術(shù)，包括尾場檢測和電子束的時(shí)空結(jié)構(gòu)診斷等。進(jìn)一步開發(fā)LWFAs，需要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋和自動優(yōu)化系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)桌面FEL并得到廣泛應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息

Wang, W., Feng, K., Ke, L.?et al.?Free-electron lasing at 27 nanometres based on a laser wakefield accelerator.?Nature?(2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03678-x

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03678-x#citeas

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