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      作者:王文濤等 來源:《自然》 發布時間:2021/7/22 19:48:07
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      激光加速器首次發射自由電子激光

       

       
       
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      中科院上海光機所供圖
       
      7月22日,《自然》封面文章報道了中國科學家的重大突破,他們利用自主研制的高性能重頻超強超短激光裝置,驅動產生了高品質的電子束,并首次實現自由電子激光放大輸出,在國際上率先完成臺式化自由電子激光原理的實驗驗證,對于發展小型化、低成本自由電子激光器具有重大意義。研究成果由中科院上海光學精密機械研究所(以下簡稱上海光機所)強場激光物理國家重點實驗室完成。
       
      研究成果被國際同行評價為“又一里程碑成果,將為新的應用創造更多可能”。殊不知,研究團隊“十年磨一劍”。
       
      從公里級縮短到十余米
       
      自由電子激光被稱為第四代光源,可提供從遠紅外到X射線波段的高亮度相干輻射。“迄今為止,自由電子激光是實現X射線波段高亮度相干光源的最佳技術途徑。”論文共同第一作者、上海光機所研究員王文濤告訴《中國科學報》。其中,X射線自由電子激光可用于探測物質內部動態結構和研究光與原子、分子和凝聚態物質的相互作用過程,極大地促進物理、化學、結構生物學、醫學、材料、能源、環境等多學科發展。
       
      在國際上,目前已經建好或正在運行的X射線自由電子激光裝置基于射頻直線電子加速器建設而成,僅有8臺,規模多在公里級。
       
      因此,為了實現更進一步的應用和普及,利用臺式化的電子加速器發展小型化、低成本的自由電子激光器,成為許多科學家一直夢寐以求的目標?!吨袊茖W報》記者獲悉,從2011年開始,上海光機所開始承擔國家自然基金委項目,著手研制小型化高性能電子加速器,即“新一代超強超短激光綜合實驗裝置”。
       
      超強超短激光驅動的尾波場電子加速機制,可以提供比射頻電子加速器高3個數量級以上的超高加速梯度,因而成為研制小型化高能電子加速器的主要技術路線之一。
       
      所謂激光尾波場電子加速,王文濤解釋道:“快艇在湖水上飛馳后,會激發波浪,如果放一片樹葉,樹葉就會跟著浪快速往前走。同樣的,激光作用于等離子體,會形成一系列尾波,電子進入尾波,會在尾波中以接近光速的速度前進,進而產生高能量。”
       
      在實驗室,記者看到了“新一代超強超短激光綜合實驗裝置”,研究團隊將自由電子激光裝置由公里級設計為目前十米級。
       
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      10余米長的新一代超強超短激光綜合實驗裝置。 秦志偉攝
       
      “始終保持國際領先”
       
      其實,早在2004年,國際上就已首次實驗驗證激光可以加速一定品質的電子束。該研究成果由美、法、英三國科學家聯合完成,并發表于《自然》,被稱為“夢之束”。自此之后,利用激光尾波場加速器驅動的小型化自由電子激光,特別是X射線波段的自由電子激光,便成為該領域科學家共同追求的前沿。
       
      然而,17年來,激光尾波場加速研究雖有重要進展,但遲遲未用于驅動產生自由電子激光。“自由電子激光對電子束品質要求非常高,而我們在這方面始終保持國際領先。”論文共同第一作者、上海光機所特別研究助理馮珂告訴《中國科學報》。
       
      多年來,研究團隊一直致力于激光加速電子束品質與穩定性的提升,通過設計特殊的等離子體密度分布結構,優化控制電子束的注入過程與加速過程,使得電子束綜合品質得到有效的提升。同時,通過控制與優化電子束相空間演化實現電子束從等離子體到真空的平穩過渡,并設計相應的束流傳輸與波蕩器輻射系統,實現電子束長距離傳輸并有效耦合至波蕩器中。
       
      2016年,研究團隊利用超強超短激光,首次獲得接近國際最先進的直線加速器上所能獲得的電子束亮度;今年5月,又獲得激光尾場加速吉電子伏特能量、世界最小的千分之二能散度電子束……
       
      這一次,研究團隊首次在實驗上觀測到極紫外波段的輻射信號,典型的輻射波長27納米,最短激光波長可達10納米級,單脈沖輻射能量最高可達150納焦級。通過軌道偏移以及自發輻射定標等方法證明最后一段波蕩器中能量增益高達100倍。
       
      “作者的工作是一流的”“所報道的技術將對同行科研人員產生重大影響,是一項重大的技術突破”……這一重大突破首先得到了國際同行的高度肯定。
       
      不過,“目前僅是實驗驗證小型化、低成本自由電子激光加速器可以發射自由電子激光,但距離工程化應用還有很長的距離。”上海光機所副所長、強場激光物理國家重點實驗室主任冷雨欣強調。
       
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      科研人員在討論驅動激光的運行情況。 秦志偉攝
       
      把“冷板凳”坐熱
       
      2012年,上海光機所“新一代超強超短激光綜合實驗裝置”項目團隊成立,承擔國家自然科學基金委首批重大儀器專項的科研攻堅任務,中國科學院院士李儒新是項目負責人。
       
      “加班奮戰三百天,不見出光誓不還”,在這支隊伍成立之初,實驗團隊就在實驗室屏幕上寫下了這一句話。但距離這次重大突破,他們用了3000余天。
       
      其間,在激烈的國際競爭中,這支隊伍不斷交出優異成績:2015年6月,自主研制的200TW/5Hz超強超短激光裝置成功運行;2016年9月,實驗獲得激光尾波場電子加速領域電子束世界最高亮度;2018年1月,同時承擔上海超強超短激光實驗裝置(“羲和”激光裝置)的建設;2019年1月,首次基于激光尾波場加速實現自發輻射放大輸出;2019年8月,驗證臺式化自由電子激光輻射放大的非線性增益;2019年12月,完成“新一代超強超短激光綜合實驗裝置”現場測試和全部指標的驗收……
       
      但當時這支隊伍僅有30人,35歲以下青年比例達到75%。正是這些年輕人勇于投身基礎研究,甘于坐“冷板凳”才能取得今天的重大突破。今年5月,超強超短激光攻關青年團隊獲得第25屆“中國青年五四獎章集體”。
       
      在上海光機所,這支隊伍是其“一體兩翼”的重要組成部分。
       
      上海光機所所長邵建達介紹,該研究所以強激光科學與技術為“主體”,激光物理與材料物理為“兩翼”,堅持需求導向和前瞻引領,聚焦主責主業,進一步夯實研究所在本領域基礎研究方面的領先優勢,加快原始創新和關鍵核心技術攻關,努力產出更多更優秀的創新成果。
       
      據悉,未來,研究團隊將進一步提升自由電子激光的輸出功率和光子能量,并作為“羲和”激光裝置中超快化學與大分子動力學研究平臺的重要組成部分,提供開放共享。(來源:中國科學報 秦志偉)
       
       
       
       

       

       
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