光是我們認(rèn)識(shí)世界的重要媒介。人類能看到的光在光譜上只是很窄的一段,在可見光之外,還存在著各種波長(zhǎng)的電磁波。它們雖然不能直接幫我們用肉眼觀察多彩的世界,但是它們各自都有著不可替代的用武之處,X射線就是其中的典型代表。
7月21日,《自然》以封面文章的形式報(bào)道我國(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。來自中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的研究人員,通過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),實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)現(xiàn)了基于激光加速器的自由電子激光放大輸出,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)。
“這項(xiàng)研究在國(guó)際上率先完成了臺(tái)式化自由電子激光器原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,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?!敝锌圃荷虾9鈾C(jī)所研究員王文濤說。自由電子激光是一種全新的高亮度X射線光源,可用于探測(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)的相互作用過程。
自由電子激光的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了表面物理、半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料、能源、環(huán)境等多學(xué)科的發(fā)展。“研制小型化、低成本的X射線自由電子激光器成為其重要的發(fā)展方向,對(duì)于拓展應(yīng)用和產(chǎn)生變革型技術(shù)都是極其重要的。”王文濤強(qiáng)調(diào)。
超強(qiáng)超短激光驅(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,因而成為研制小型化高能電子加速器的主要技術(shù)路線。
自2004年美、法、英等國(guó)科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)上取得激光尾波場(chǎng)電子加速的突破以來,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)家共同追求的前沿。
王文濤介紹,激光尾波場(chǎng)加速近年來已經(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,無論是電子束品質(zhì)還是穩(wěn)定性,都還面臨著諸多問題與挑戰(zhàn),相關(guān)的研究還處于起步階段。多年來,上海光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)一直致力于激光加速電子束品質(zhì)與穩(wěn)定性的提升。功夫不負(fù)有心人,研究團(tuán)隊(duì)最終成功首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到極紫外波段的輻射信號(hào),典型的輻射波長(zhǎng)27納米,單脈沖輻射能量最高可達(dá)150納焦,并通過軌道偏移以及自發(fā)輻射定標(biāo)等方法證明了最后一段波蕩器中能量增益高達(dá)100倍。
“這是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)基于激光電子加速器的極紫外線波段的自發(fā)輻射放大輸出?!蓖跷臐龔?qiáng)調(diào)。對(duì)于這項(xiàng)工作,同行專家給予了高度評(píng)價(jià),“該成果是激光尾波場(chǎng)領(lǐng)域自2004年《自然》‘夢(mèng)之束’報(bào)道以來的又一里程碑式的成果……科學(xué)成就是突出的,這是毫無疑問的……這個(gè)里程碑將為新的應(yīng)用創(chuàng)造新的可能……”“……作者的工作是一流的,讓最廣泛的相關(guān)讀者可以欣賞實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)所取得的重大成就,我對(duì)在一個(gè)重要的新興領(lǐng)域的里程碑——基于等離子體加速技術(shù)的小型自由電子激光器的實(shí)現(xiàn)表示祝賀……”
研究團(tuán)隊(duì)未來將進(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(“羲和”激光裝置)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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