据悉，英国思克莱德大学研究人员对趋于冷束极限的阿秒自由电子激光器的研究以“Attosecond-Angstrom free-electron-laser towards the cold beam limit”为题发表在《Nature Communications》上。

电子束质量是自由电子激光器(FELs) X射线脉冲产生的关键。最先进的线性加速器(linacs)可以提供足够质量的多GeV电子束，用于硬X射线FELs，尽管需要公里级的设置，而基于等离子体的加速器可以在米级距离上产生多GeV电子束，并开始达到足以用于EUV FELs的束流质量。本文中，研究人员展示了等离子体光阴极的电子束可以在等离子尾场加速器(PWFAs)中产生，比最先进的光阴极亮许多数量级，然后提取、捕获、运输和注入波动器而没有显著的质量损失。这些超亮的亚飞秒电子束可以在冷束极限附近驱动硬X-FELs，产生阿秒级的相干X射线脉冲，仅在波动器运动10米后就达到饱和。这种等离子体X-FELs为先进的光子科学能力开辟了道路，例如在自然时间和长度尺度上对原子内部电子运动的不受干扰的观察，以及朝着更高的光子能量前进。

整体设置如图1所示，由三个主要构建块组成：等离子体加速器，其中产生超亮电子束，光束传输级，其中超亮电子束被捕获、隔离和传输，以及波动器，产生 X 射线脉冲。

图1:实验设置。

文中，研究人员展示了从头到尾的模拟研究，如何从PWFA中产生具有前所未有的发射度和亮度的亚飞秒电子束，如何在不损失电荷的情况下传输它们，并在几nm-rad级的发射度下完全保存，以及如何利用这些超亮光束进行阿秒埃级X-FEL脉冲生产。

等离子尾场加速器和等离子光电阴极注入器级

图2:PWFA阶段的胞内粒子模拟。

束运输阶段

图3:束传输。

图4:用Puffin模拟的x射线FEL脉冲产生。

这项研究开启了广泛的应用和配置，例如更硬的光子能量，多色光子脉冲和光子脉冲的改进模式的前景。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36592-z