目前世界上的自由電子激光（FEL）裝置動輒超過千米、投資數(shù)以億計(jì)。不過，將來這種裝置可能像打印機(jī)一樣，可以放在辦公桌上使用。全球科學(xué)家正在為此而努力，而研制出適用于FEL“臺式機(jī)”的高品質(zhì)輻射源，則是其中最為關(guān)鍵的一步。

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)依托于實(shí)驗(yàn)室自行研制的高性能200TW重頻激光裝置，在臺式化激光電子加速器領(lǐng)域首次將高能電子束能散壓縮至千分之二，這一成果將極大的推動臺式化新型輻射源的研制。相關(guān)的研究成果近期發(fā)表在Physical Review Letter上。

作為世界上最高亮度的X射線相干光源，自由電子激光（FEL）具有超高亮度、超短脈沖、波長連續(xù)可調(diào)等一系列優(yōu)勢，在原子分子物理學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、材料化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等諸多領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值，極大的推動了人類科學(xué)的進(jìn)步。

然而基于傳統(tǒng)射頻直線加速器的自由電子激光裝置動輒數(shù)百米甚至數(shù)公里，耗資可達(dá)數(shù)億乃至數(shù)十億美元，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

利用超強(qiáng)超短激光在等離子體中誘發(fā)的等離子體波來加速高能電子（LWFA）的方案，其加速梯度高于傳統(tǒng)加速器三個量級以上，將極大的促進(jìn)小型化加速器的研究，世界超強(qiáng)激光和傳統(tǒng)加速器實(shí)驗(yàn)室紛紛開展這一領(lǐng)域的研究。

實(shí)現(xiàn)FEL需要高品質(zhì)的電子束流，而LWFA所獲得的電子束品質(zhì)，特別是能散度，遠(yuǎn)落后于傳統(tǒng)加速器。由于激光驅(qū)動的尾波場中不均勻的高加速電場，使得電子在加速過程中獲得很大的能量啁啾，這種啁啾成為電子束能散的主要來源。如何在實(shí)驗(yàn)中獲得千分量級能散并具有一定電荷量的高能電子束，成為研制緊湊型輻射源中的首要目標(biāo)。

▲LWFA裝置示意圖

為了獲得更低的能散度，通過壓縮電子注入時間和電荷量是一種常用的方式，但這勢必對獲得的電子束品質(zhì)造成影響。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種簡單的噴嘴結(jié)構(gòu)（如上圖中的噴嘴Nozzle與障礙物Baffle），僅調(diào)節(jié)噴嘴和障礙物的橫向距離便可控制電子束的注入時間。

通過對該結(jié)構(gòu)的測量和計(jì)算，科研人員發(fā)現(xiàn)，電子的注入過程產(chǎn)生于激光自聚焦和密度梯度下降沿（如上圖(c)所示）的協(xié)同作用。這種協(xié)同作用能夠提升電子束注入時刻與流強(qiáng)的可控性，并與后續(xù)電子束能散壓縮過程相匹配，進(jìn)而獲得較高電量與低能散的電子束。這對于實(shí)現(xiàn)臺式化的自由電子激光具有重大意義。

通過壓縮電子束的能量啁啾，可以獲得接近切片能散的電子束，在許多理論中都通過構(gòu)建特殊的等離子體密度梯度來實(shí)現(xiàn)。而該團(tuán)隊(duì)僅僅依靠噴氣形成的密度分布，借助激光自聚焦效應(yīng)，就可以實(shí)現(xiàn)這一過程。

利用該方案該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上獲得了低能散（~0.2%）高能（~820 MeV）的電子束流，并將激光尾波場加速所獲得電子束的最高亮度紀(jì)錄提升了2-3倍，該項(xiàng)成果是臺式化激光電子加速器領(lǐng)域首次將高能電子束能散壓縮至千分之二，對于實(shí)現(xiàn)臺式化激光尾波場加速器的應(yīng)用具有重要價值。