德-法研究團隊在德拉斯頓-羅森多夫亥姆霍茲-中心(HZDR)建立了由等離子加速器中的粒子驅(qū)動的自由電子激光器，并首次使用這種仍然很年輕的技術(shù)產(chǎn)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(gòu)成，即波動器;背景為HZDR高功率激光器DRACO的金屬束室。

由自由電子激光器(FELs)產(chǎn)生的極強光脈沖是研究中的通用工具。特別是在x射線范圍內(nèi)，它們可以用于分析各種材料的原子結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，并以極高的精度跟蹤基本的超快過程。到目前為止，像德國的歐洲XFEL這樣的電子加速器都是基于傳統(tǒng)的電子加速器，這使得它們既長又貴。由法國同步加速器SOLEIL和德國的Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)領(lǐng)導(dǎo)的一個國際團隊，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了一種可負(fù)擔(dān)得起的替代解決方案的突破:他們能夠演示基于一種仍然年輕的技術(shù)——激光等離子體加速的種子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系統(tǒng)，這將大大擴大自由電子激光器的可能應(yīng)用。這項合作研究的結(jié)果發(fā)表在雜志上自然光子學(xué)(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復(fù)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。然后，這些粒子成群結(jié)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(dǎo)致電子束重組成許多更小的電子群——微電子束，它們一起發(fā)射出極其強大的、類似激光的光脈沖。這些數(shù)據(jù)可以用來破譯之前未知的材料性質(zhì)，或者用來追蹤極快的過程，比如在千萬億分之一秒內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

然而，耗資數(shù)十億美元的歐洲XFEL和其他類似的基礎(chǔ)設(shè)施有一個缺點:“它們有幾百米甚至幾公里長，”HZDR輻射物理研究所主任Ulrich Schramm教授說?！斑@就是為什么我們正在研究一種替代技術(shù)，使這種設(shè)施更小、更劃算，這樣它們就可以在未來更接近大學(xué)和工業(yè)的用戶。”其基礎(chǔ)是一種仍在開發(fā)中的新型加速器技術(shù)——激光等離子體加速。

HZDR物理學(xué)家Arie Irman博士解釋說:“我們使用高功率激光器向等離子體發(fā)射短的、超強的閃光，等離子體是一種由帶負(fù)電的電子和帶正電的離子組成的電離氣體。”“在等離子體中，光脈沖會產(chǎn)生強烈的交變電場波，類似于船的尾流?！边@種波可以在很短的距離內(nèi)迅速加速電子到更高的速度。原則上，這可以使現(xiàn)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(shù)加速了。但直到最近，盡管仍處于早期階段，這種快速粒子束從等離子體加速器通過波動器發(fā)射出來，然后轉(zhuǎn)化為激光閃光已經(jīng)成為可能。為了首次產(chǎn)生由等離子體加速驅(qū)動的可控FEL激光，HZDR與法國同步加速器SOLEIL的專家合作。

SOLEIL的物理學(xué)家Marie-Emmanuelle Couprie博士說:“安裝在德累斯頓的等離子體加速器由高功率激光DRACO驅(qū)動，提供了高質(zhì)量的快速電子束?！薄霸谒谋澈?，我們隨后建造了一個波動器和相關(guān)的加速器波束線，之前已經(jīng)在法國等離子加速器實驗室帕萊索的lab atoire d’optique Appliquée與Lille的PhLAM合作，對電子束傳輸方法、波動器輻射的產(chǎn)生、種子生成和包括重疊問題和方法在內(nèi)的成型進行了幾年的優(yōu)化?！?/p>

為了在紫外(UV)條件下產(chǎn)生FEL激光閃光，研究人員必須解決幾個基本問題?！拔覀儽仨毶a(chǎn)含有大量電子的粒子束，”Irman解釋道?！芭c此同時，重要的是，這些電子擁有盡可能相等的能量。”

為了防止電子束發(fā)散過快，使用了一種精細(xì)的方法:所謂的等離子體透鏡。此外，該團隊還采用了一種名為“播種”的方法:與電子束同步，他們向波動器發(fā)射外部激光光脈沖，這對加速FEL過程和提高FEL激光閃光的光束質(zhì)量至關(guān)重要。

激光技術(shù)的突破

有了這個裝置，該團隊最終實現(xiàn)了他們的目標(biāo):正如所希望的那樣，演示了等離子體驅(qū)動的FEL產(chǎn)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一直夢想著實現(xiàn)這樣的自由電子激光器，”施拉姆(Ulrich Schramm)興奮地說?！澳憧梢韵胂螅覀儸F(xiàn)在在德累斯頓取得了這樣的成就，我們有多高興?！睂Π⒗铩ひ翣柭鼇碚f，一個夢想也實現(xiàn)了:“等離子體驅(qū)動的自由電子激光器一直被認(rèn)為是我們這個領(lǐng)域最重要的里程碑之一。通過我們的實驗，我們現(xiàn)在已經(jīng)取得了巨大的進步?！?/p>

在基于等離子體的FEL投入實際應(yīng)用之前，仍有許多挑戰(zhàn)需要克服。例如，雖然德累斯頓的裝置能夠產(chǎn)生紫外線脈沖，但研究需要高強度的x射線閃光——為此電子必須被加速到更高的能量。

Schramm說:“這已經(jīng)在等離子體加速中得到了原理上的證明，但到目前為止，電子束的質(zhì)量對于x射線自由能激光器來說仍然太差、太不穩(wěn)定?！薄暗ㄟ^新一代高功率激光器，我們希望能解決這個問題?！比绻@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(xiàn)在提供給更多的研究團隊使用。