自由电子激光器产生的极其强烈的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，FEL如德国的欧洲XFEL都是基于传统的电子加速器，这使得它们又长又贵。由法国Synchrotron SOLEIL和德国Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)领导的一个国际团队现已实现了一项突破，找到了一种可负担得起的替代解决方案:他们能够基于一项仍然年轻的技术，在紫外区演示种子自由电子激光激光-等离子加速。

　　在未来，这可能允许研究人员建立更紧凑的系统，这将大大扩展FELs的可能应用。这项研究合作将他们的成果发表在杂志上自然光子学.

　　x射线自由电子激光器是世界上最强大也是最复杂的研究机器之一。原理是:在强射频波的帮助下，加速器使电子接近光速。然后，粒子被捆扎成束，穿过“波荡器”——一种具有周期性交变磁场的磁体排列，迫使粒子运动电子束在障碍跑道上。

　　这导致束重组为许多更小的电子群——微束，它们一起发出极其强大的类似激光的光脉冲。然后，这些可以用来破译以前未知的材料属性，或跟踪极快的过程，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辐射物理研究所所长乌尔里希·施拉姆教授说。“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，更具成本效益，然后它们可以在未来更接近大学和行业的用户。”其基础是一种仍在开发中的新加速器技术——激光等离子体加速。

　　“使用一个高功率激光器HZDR物理学家Arie Irman博士解释说:“我们向等离子体发射短暂的超强闪光，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，类似于轮船的尾流。“这种波可以在很短的距离内将电子快速加速到更高的速度。原则上，这可以将现在100米长的加速器缩小到远小于1米的长度。

　　成功的团队合作

　　原则上，电子早就用这种技术加速了。但直到最近，尽管仍处于早期阶段，人们才有可能从等离子体加速器中发出如此快速的粒子束，通过波荡器，然后将它们转化为激光闪光。为了首次产生由等离子体加速驱动的可控自由电子激光，HZDR与法国同步加速器太阳实验室的专家合作。

　　SOLEIL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。”

　　“其后，我们建造了一个波荡器以及相关的加速器光束线，这些光束线之前已经在法国等离子体加速器实验室Palaiseau与Lille的PhLAM联合进行了数年的优化，用于电子束传输方法、波荡器辐射的产生、种子产生和成形，包括重叠问题和方法。”

　　为了在紫外线(UV)范围内产生FEL激光闪光，研究人员必须解决几个基本问题。“我们必须产生包含大量电子的粒子束，”Irman解释道。"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得太快，使用了一种精致的技巧:所谓的等离子透镜。此外，该团队部署了一种称为“播种”的方法:与电子束同步，他们将外部激光脉冲射入波荡器，这对于加速FEL过程至关重要，并改善了FEL激光闪光的光束质量。

　　激光技术的突破

　　有了这个装置，这个团队终于能够实现它的目标:如所希望的，演示等离子体驱动的自由电子激光产生超短紫外激光闪光。“15年来，先进加速器物理学界的人们一直梦想实现这样的自由电子激光器，”乌尔里希·施拉姆说。“你可以想象我们现在在德累斯顿实现了这一点，我们有多高兴。”

　　对Arie Irman来说，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。”

　　在基于等离子体的自由电子激光器投入实际应用之前，仍然有各种各样的挑战需要克服。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。

　　“这在原理上已经用等离子体加速证明了，但是到目前为止，对于X射线自由电子激光器来说，电子束的质量仍然太差，太不稳定，”施拉姆说。“但随着新一代高功率激光器的出现，我们希望能解决这个问题。”如果这项努力成功，自由电子激光器将来可以放入该研究所的地下室——因此可以提供给比现在多得多的研究团队。