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7月22日，中國科學院上海光學精密機械研究所基于激光加速器的小型化自由電子激光研究成果，作為封面文章刊登上了《自然》雜志。

中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室，利用自行研制的超強超短激光裝置，顯著提升了激光尾波場加速的電子束品質。同時，研究團隊結合創新設計的緊湊型束流傳輸與輻射系統，首次實現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27納米，最短激光波長可達10納米級，單脈沖能量可達100納焦級，在國際上率先完成了臺式化自由電子激光原理的實驗驗證，對于發展小型化、低成本自由電子激光器具有重大意義。

新建成的緊湊型束流傳輸與波蕩器輻射出光實驗裝置。

迄今為止，自由電子激光是實現X射線波段高亮度相干光源的最佳技術途徑，X射線自由電子激光可用于探測物質內部動態結構和研究光與原子、分子和凝聚態物質的相互作用過程，極大地促進表面物理、半導體物理、凝聚態物理、化學、結構生物學、醫學、材料、能源、環境等多學科的發展。研制小型化、低成本的X射線自由電子激光成為重要的發展方向，對于拓展應用和產生變革型技術都是極其重要的。

實驗室場景。

超強超短激光驅動的尾波場電子加速機制，可以提供比射頻電子加速器高三個數量級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路線。2004年，美、法、英等國的科學家首次在實驗上取得激光尾波場電子加速的突破。此后，利用激光尾波場加速器驅動的小型化自由電子激光，特別是X射線波段的自由電子激光，便成為該領域科學家共同追求的前沿目標。目前，世界上已經建好并正在運行的X射線自由電子激光裝置僅有8臺，但它們的規模達到了“公里級”。中國科學院上海光學精密機械研究所的新成果，將“公里級”的裝置“臺式化”縮小為十二米的裝置，為發展小型化、低成本自由電子激光器邁出了至關重要的一步。

自由電子激光輻射輸出信號診斷。

盡管激光尾波場加速已經取得許多重要進展，但是對于驅動自由電子激光而言，無論是電子束品質還是穩定性，都還面臨著諸多問題與挑戰，相關的研究還處于起步階段。多年來，中國科學院上海光學精密機械研究所的研究團隊一直致力于激光加速電子束品質與穩定性的提升，通過設計特殊的等離子體密度分布結構，優化電子束的注入過程與加速過程，使得電子束綜合品質（包括能散、發射度、電量等）得到有效的提升。同時，通過控制電子束相空間演化實現了電子束從等離子體到真空的平穩過渡，并設計相應的束流傳輸與波蕩器輻射系統，實現電子束長距離傳輸并有效耦合至波蕩器中。研究團隊首次在實驗上觀測到極紫外波段的輻射信號，典型的輻射波長27納米，單脈沖輻射能量最高可達150納焦，并通過軌道偏移以及自發輻射定標等方法證實了最后一段波蕩器中能量增益高達100倍。這是國際上首次實現基于激光電子加速器的極紫外波段的自發輻射放大輸出，對于小型化、低成本的X射線自由電子激光器的研制具有重大意義。

實驗室場景。

國際同行對這項研究成果給予了高度評價，“該成果是激光尾波場領域自2004年《自然》‘夢之束’報道以來又一里程碑式的成果...科學成就是突出的，這是毫無疑問的...這個里程碑將為新的應用創造新的可能...”“...代表了基于等離子體加速的緊湊型自由電子激光發展的重要一步...所報道的技術將對同行科研人員產生重大影響，是一項重大的技術突破...”

未來，研究團隊將進一步提升自由電子激光的輸出功率和光子能量，并作為上海超強超短激光實驗裝置（“羲和”激光裝置）中超快化學與大分子動力學研究平臺的重要組成部分，提供開放共享。