上海光机所2021年第1篇Nature！

X射线自由电子激光器，由于可以产生强烈的相干辐射，且波长向下至次-埃级区域，因此，已经成为结构生物学和化学等学科中不可缺少的应用工具。一些X射线自由电子激光设备正在运行中；然而，它们对大型、高成本、最先进的射频加速器的要求，引发了人们对发展紧凑和经济的加速器的极大兴趣。

激光尾场加速器(LWFA)，可以承受比射频加速器高三个数量级以上的加速度梯度，被认为是驱动紧凑X射线自由电子激光器的一个有吸引力的选择。然而，由于基于激光尾场加速器的电子束质量相对较差，因此，实现此类设备仍然是一个挑战。

在此，来自中国科学院上海光学精密机械研究所的王文涛和刘建生&中国科学院上海光学精密机械研究所和上海科技大学的李儒新等研究者，在激光尾场加速器的基础上，利用电子束实现了指数增益条件下的波动辐射放大实验。相关论文以题为“Free-electron lasing at 27 nanometres based on a laser wakefield accelerator”于2021年07月21日发表在Nature上。

在此，研究者报道了用LWFA加速电子束，产生了具有指数放大的波动辐射。所产生的辐射，通常集中在27纳米的波长，并包含一个最大的光子数约为10¹⁰次，对应的最大辐射能约为150 nJ。通过轨道冲击干扰FEL过程，测量了极紫外辐射强度与波动子长度的关系，从而直接验证了指数放大效应。在设备的三分之一的波动器中，辐射功率的最大增益约为100倍，从而证实了在指数增益条件下的成功操作。

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图1. 基于LWFA的自由电子激光实验原理图

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图2. 波动辐射的测量

图3. 在27纳米处的波动辐射测量

综上所述，该研究成果为利用激光尾场加速器，实现自由电子激光提供了一个原理证明，为基于该技术开发具有广泛应用前景的致密X射线自由电子激光器铺平了道路。

此外，有必要进一步发展分析飞秒长电子束的技术，包括尾场检测和电子束的时空结构诊断等。进一步开发LWFAs，需要实现闭环反馈和自动优化系统，从而实现桌面FEL并得到广泛应用。

文献信息

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

原文链接：

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

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