图片:德-法研究团队在德拉斯顿-罗森多夫亥姆霍兹-中心(HZDR)建立了由等离子加速器中的粒子驱动的自由电子激光器，并首次使用这种仍然很年轻的技术产生了可控的激光闪光。在前景中，光束线由浅蓝色的磁铁排列构成，即波动器;背景为HZDR高功率激光器DRACO的金属束室。

由自由电子激光器(FELs)产生的极强光脉冲是研究中的通用工具。特别是在x射线范围内，它们可以用于分析各种材料的原子结构细节，并以极高的精度跟踪基本的超快过程。到目前为止，像德国的欧洲XFEL这样的电子加速器都是基于传统的电子加速器，这使得它们既长又贵。由法国同步加速器SOLEIL和德国的Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)领导的一个国际团队，现在已经实现了一种可负担得起的替代解决方案的突破:他们能够演示基于一种仍然年轻的技术——激光等离子体加速的种子FEL在紫外线条件下的激光激光。在未来，这可能允许建立更紧凑的系统，这将大大扩大自由电子激光器的可能应用。这项合作研究的结果发表在杂志上自然光子学(DOI: 10.1038 / s41566 - 022 - 01104 w)。

x射线自由电子激光器是世界上最强大也最复杂的研究机器之一。原理是:在强无线电波的帮助下，加速器使电子接近光速。然后，这些粒子成群结队地穿过“波动器”——一种周期性交变磁场的磁铁排列，迫使电子束沿回旋路径运动。这导致电子束重组成许多更小的电子群——微电子束，它们一起发射出极其强大的、类似激光的光脉冲。这些数据可以用来破译之前未知的材料性质，或者用来追踪极快的过程，比如在千万亿分之一秒内发生的化学反应。

然而，耗资数十亿美元的欧洲XFEL和其他类似的基础设施有一个缺点:“它们有几百米甚至几公里长，”HZDR辐射物理研究所主任Ulrich Schramm教授说。“这就是为什么我们正在研究一种替代技术，使这种设施更小、更划算，这样它们就可以在未来更接近大学和工业的用户。”其基础是一种仍在开发中的新型加速器技术——激光等离子体加速。

HZDR物理学家Arie Irman博士解释说:“我们使用高功率激光器向等离子体发射短的、超强的闪光，等离子体是一种由带负电的电子和带正电的离子组成的电离气体。”“在等离子体中，光脉冲会产生强烈的交变电场波，类似于船的尾流。”这种波可以在很短的距离内迅速加速电子到更高的速度。原则上，这可以使现在100米长的加速器缩小到不到1米的长度。

成功的团队合作

原则上，电子早就被这种技术加速了。但直到最近，尽管仍处于早期阶段，这种快速粒子束从等离子体加速器通过波动器发射出来，然后转化为激光闪光已经成为可能。为了首次产生由等离子体加速驱动的可控FEL激光，HZDR与法国同步加速器SOLEIL的专家合作。

SOLEIL的物理学家Marie-Emmanuelle Couprie博士说:“安装在德累斯顿的等离子体加速器由高功率激光DRACO驱动，提供了高质量的快速电子束。”“在它的背后，我们随后建造了一个波动器和相关的加速器波束线，之前已经在法国等离子加速器实验室帕莱索的lab atoire d’optique Appliquée与Lille的PhLAM合作，对电子束传输方法、波动器辐射的产生、种子生成和包括重叠问题和方法在内的成型进行了几年的优化。”

为了在紫外(UV)条件下产生FEL激光闪光，研究人员必须解决几个基本问题。“我们必须生产含有大量电子的粒子束，”Irman解释道。“与此同时，重要的是，这些电子拥有尽可能相等的能量。”

为了防止电子束发散过快，使用了一种精细的方法:所谓的等离子体透镜。此外，该团队还采用了一种名为“播种”的方法:与电子束同步，他们向波动器发射外部激光光脉冲，这对加速FEL过程和提高FEL激光闪光的光束质量至关重要。

激光技术的突破

有了这个装置，该团队最终实现了他们的目标:正如所希望的那样，演示了等离子体驱动的FEL产生的超短紫外线激光闪光。“15年来，先进加速器物理界的人们一直梦想着实现这样的自由电子激光器，”施拉姆(Ulrich Schramm)兴奋地说。“你可以想象，我们现在在德累斯顿取得了这样的成就，我们有多高兴。”对阿里·伊尔曼来说，一个梦想也实现了:“等离子体驱动的自由电子激光器一直被认为是我们这个领域最重要的里程碑之一。通过我们的实验，我们现在已经取得了巨大的进步。”

在基于等离子体的FEL投入实际应用之前，仍有许多挑战需要克服。例如，虽然德累斯顿的装置能够产生紫外线脉冲，但研究需要高强度的x射线闪光——为此电子必须被加速到更高的能量。

Schramm说:“这已经在等离子体加速中得到了原理上的证明，但到目前为止，电子束的质量对于x射线自由能激光器来说仍然太差、太不稳定。”“但通过新一代高功率激光器，我们希望能解决这个问题。”如果这项努力成功了，自由电子激光器在未来就可以装进研究所的地下室——因此可以比现在提供给更多的研究团队使用。