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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動的自由電子激光器，并首次使用這種仍然很年輕的技術產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，它們可以用于分析各種材料的原子結構細節，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)領導的一個國際團隊，現在已經實現了一種可負擔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——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，這將大大擴大自由電子激光器的可能應用。這項合作研究的結果發表在雜志上自然光子學(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。這導致電子束重組成許多更小的電子群——微電子束，它們一起發射出極其強大的、類似激光的光脈沖。這些數據可以用來破譯之前未知的材料性質，或者用來追蹤極快的過程，比如在千萬億分之一秒內發生的化學反應。

然而，耗資數十億美元的歐洲XFEL和其他類似的基礎設施有一個缺點:“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。“這就是為什么我們正在研究一種替代技術，使這種設施更小、更劃算，這樣它們就可以在未來更接近大學和工業的用戶。”其基礎是一種仍在開發中的新型加速器技術——激光等離子體加速。

HZDR物理學家Arie Irman博士解釋說:“我們使用高功率激光器向等離子體發射短的、超強的閃光，等離子體是一種由帶負電的電子和帶正電的離子組成的電離氣體。”“在等離子體中，光脈沖會產生強烈的交變電場波，類似于船的尾流。”這種波可以在很短的距離內迅速加速電子到更高的速度。原則上，這可以使現在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射出來，然后轉化為激光閃光已經成為可能。為了首次產生由等離子體加速驅動的可控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驅動，提供了高質量的快速電子束。”“在它的背后，我們隨后建造了一個波動器和相關的加速器波束線，之前已經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、波動器輻射的產生、種子生成和包括重疊問題和方法在內的成型進行了幾年的優化。”

為了在紫外(UV)條件下產生FEL激光閃光，研究人員必須解決幾個基本問題。“我們必須生產含有大量電子的粒子束，”Irman解釋道。“與此同時，重要的是，這些電子擁有盡可能相等的能量。”

為了防止電子束發散過快，使用了一種精細的方法: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激光閃光的光束質量至關重要。

激光技術的突破

有了這個裝置，該團隊最終實現了他們的目標:正如所希望的那樣，演示了等離子體驅動的FEL產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這樣的自由電子激光器，”施拉姆(Ulrich Schramm)興奮地說。“你可以想象，我們現在在德累斯頓取得了這樣的成就，我們有多高興。”對阿里·伊爾曼來說，一個夢想也實現了:“等離子體驅動的自由電子激光器一直被認為是我們這個領域最重要的里程碑之一。通過我們的實驗，我們現在已經取得了巨大的進步。”

在基于等離子體的FEL投入實際應用之前，仍有許多挑戰需要克服。例如，雖然德累斯頓的裝置能夠產生紫外線脈沖，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，電子束的質量對于x射線自由能激光器來說仍然太差、太不穩定。”“但通過新一代高功率激光器，我們希望能解決這個問題。”如果這項努力成功了，自由電子激光器在未來就可以裝進研究所的地下室——因此可以比現在提供給更多的研究團隊使用。