德-法研究團隊在德拉斯頓-羅森多夫亥姆霍茲(zi) -中心(HZDR)建立了由等離子加速器中的粒子驅動的自由電子激光器，並首次使用這種仍然很年輕的技術產(chan) 生了可控的激光閃光。在前景中，光束線由淺藍色的磁鐵排列構成，即波動器;背景為(wei) HZDR高功率激光器DRACO的金屬束室。

由自由電子激光器(FELs)產(chan) 生的極強光脈衝(chong) 是研究中的通用工具。特別是在x射線範圍內(nei) ，它們(men) 可以用於(yu) 分析各種材料的原子結構細節，並以極高的精度跟蹤基本的超快過程。到目前為(wei) 止，像德國的歐洲XFEL這樣的電子加速器都是基於(yu) 傳(chuan) 統的電子加速器，這使得它們(men) 既長又貴。由法國同步加速器SOLEIL和德國的Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)領導的一個(ge) 國際團隊，現在已經實現了一種可負擔得起的替代解決(jue) 方案的突破:他們(men) 能夠演示基於(yu) 一種仍然年輕的技術——激光等離子體(ti) 加速的種子FEL在紫外線條件下的激光激光。在未來，這可能允許建立更緊湊的係統，這將大大擴大自由電子激光器的可能應用。這項合作研究的結果發表在雜誌上自然光子學(DOI: 10.1038 / s41566 - 022 - 01104 w)。

x射線自由電子激光器是世界上最強大也最複雜的研究機器之一。原理是:在強無線電波的幫助下，加速器使電子接近光速。然後，這些粒子成群結隊地穿過“波動器”——一種周期性交變磁場的磁鐵排列，迫使電子束沿回旋路徑運動。這導致電子束重組成許多更小的電子群——微電子束，它們(men) 一起發射出極其強大的、類似激光的光脈衝(chong) 。這些數據可以用來破譯之前未知的材料性質，或者用來追蹤極快的過程，比如在千萬(wan) 億(yi) 分之一秒內(nei) 發生的化學反應。

然而，耗資數十億(yi) 美元的歐洲XFEL和其他類似的基礎設施有一個(ge) 缺點:“它們(men) 有幾百米甚至幾公裏長，”HZDR輻射物理研究所主任Ulrich Schramm教授說。“這就是為(wei) 什麽(me) 我們(men) 正在研究一種替代技術，使這種設施更小、更劃算，這樣它們(men) 就可以在未來更接近大學和工業(ye) 的用戶。”其基礎是一種仍在開發中的新型加速器技術——激光等離子體(ti) 加速。

HZDR物理學家Arie Irman博士解釋說:“我們(men) 使用高功率激光器向等離子體(ti) 發射短的、超強的閃光，等離子體(ti) 是一種由帶負電的電子和帶正電的離子組成的電離氣體(ti) 。”“在等離子體(ti) 中，光脈衝(chong) 會(hui) 產(chan) 生強烈的交變電場波，類似於(yu) 船的尾流。”這種波可以在很短的距離內(nei) 迅速加速電子到更高的速度。原則上，這可以使現在100米長的加速器縮小到不到1米的長度。

成功的團隊合作

原則上，電子早就被這種技術加速了。但直到最近，盡管仍處於(yu) 早期階段，這種快速粒子束從(cong) 等離子體(ti) 加速器通過波動器發射出來，然後轉化為(wei) 激光閃光已經成為(wei) 可能。為(wei) 了首次產(chan) 生由等離子體(ti) 加速驅動的可控FEL激光，HZDR與(yu) 法國同步加速器SOLEIL的專(zhuan) 家合作。

SOLEIL的物理學家Marie-Emmanuelle Couprie博士說:“安裝在德累斯頓的等離子體(ti) 加速器由高功率激光DRACO驅動，提供了高質量的快速電子束。”“在它的背後，我們(men) 隨後建造了一個(ge) 波動器和相關(guan) 的加速器波束線，之前已經在法國等離子加速器實驗室帕萊索的lab atoire d’optique Appliquée與(yu) Lille的PhLAM合作，對電子束傳(chuan) 輸方法、波動器輻射的產(chan) 生、種子生成和包括重疊問題和方法在內(nei) 的成型進行了幾年的優(you) 化。”

為(wei) 了在紫外(UV)條件下產(chan) 生FEL激光閃光，研究人員必須解決(jue) 幾個(ge) 基本問題。“我們(men) 必須生產(chan) 含有大量電子的粒子束，”Irman解釋道。“與(yu) 此同時，重要的是，這些電子擁有盡可能相等的能量。”

為(wei) 了防止電子束發散過快，使用了一種精細的方法:所謂的等離子體(ti) 透鏡。此外，該團隊還采用了一種名為(wei) “播種”的方法:與(yu) 電子束同步，他們(men) 向波動器發射外部激光光脈衝(chong) ，這對加速FEL過程和提高FEL激光閃光的光束質量至關(guan) 重要。

激光技術的突破

有了這個(ge) 裝置，該團隊最終實現了他們(men) 的目標:正如所希望的那樣，演示了等離子體(ti) 驅動的FEL產(chan) 生的超短紫外線激光閃光。“15年來，先進加速器物理界的人們(men) 一直夢想著實現這樣的自由電子激光器，”施拉姆(Ulrich Schramm)興(xing) 奮地說。“你可以想象，我們(men) 現在在德累斯頓取得了這樣的成就，我們(men) 有多高興(xing) 。”對阿裏·伊爾曼來說，一個(ge) 夢想也實現了:“等離子體(ti) 驅動的自由電子激光器一直被認為(wei) 是我們(men) 這個(ge) 領域最重要的裏程碑之一。通過我們(men) 的實驗，我們(men) 現在已經取得了巨大的進步。”

在基於(yu) 等離子體(ti) 的FEL投入實際應用之前，仍有許多挑戰需要克服。例如，雖然德累斯頓的裝置能夠產(chan) 生紫外線脈衝(chong) ，但研究需要高強度的x射線閃光——為(wei) 此電子必須被加速到更高的能量。

Schramm說:“這已經在等離子體(ti) 加速中得到了原理上的證明，但到目前為(wei) 止，電子束的質量對於(yu) x射線自由能激光器來說仍然太差、太不穩定。”“但通過新一代高功率激光器，我們(men) 希望能解決(jue) 這個(ge) 問題。”如果這項努力成功了，自由電子激光器在未來就可以裝進研究所的地下室——因此可以比現在提供給更多的研究團隊使用。