《自然》封面！激光加速器首次发射自由电子激光，辐射功率提高约100倍

X射线自由电子激光器（free-electron laser，FEL）可以提供从远红外到X射线波段的高亮度相干辐射，已成为结构生物学、材料、化学等学科应用中不可或缺的工具。

目前，中国国内已有几个X射线自由电子激光设备正在运行。然而，它们对大型、高成本、最先进的射频加速器的需求，导致人们对紧凑型和经济型的此类加速器的发展产生了极大的兴趣。

激光尾波场加速器能承受比射频加速器高3个数量级以上的加速度梯度，被认为是驱动小型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，这类器件的实现仍然是一个挑战。

7月22日，《自然》（Nature）以封面文章的形式，报道了中国科学家的重大突破：中国科学院上海光学精密机械研究所的研究人员们，利用自主研制的高性能重频超强超短激光装置，驱动产生了高品质的电子束，并首次实现自由电子激光放大输出，在国际上率先完成台式化自由电子激光原理的实验验证。

在最新研究中，研究人员们提出了一个实验证明，在指数增益范围内，利用电子束激光尾场加速器振荡辐射放大。放大的波浪形辐射，基于激光加速器的自由电子激光放大输出，典型激光波长27nm，最短激光波长可达10nm级，最大光子数约为1010次，产生的最大辐射能量约为150纳米焦耳。

研究人员称，在设备中三个波动器中的第三个，辐射功率的最大增益约为100倍，证实了在指数增益范围内的成功操作。这意味着在气体喷流末端仅6毫米处，就能实现电子产生激光的正确条件——比当前FEL的3000米左右缩短了数个量级。

这一研究成果为利用激光尾场加速器进行自由电子激光的原理论证奠定了基础，并为基于该技术开发具有广泛应用前景的紧密型、低成本X射线自由电子激光器铺平了道路。

译/前瞻经济学人APP资讯组

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03678-x