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自由电子激光器（FEL）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，并非常精确地跟踪基本超快过程。到目前为止，FEL（如德国的欧洲XFEL）是基于传统的电子加速器，这使得它们既长又昂贵。由法国同步加速器SOLEIL和德国德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹-泽特姆（HZDR）领导的一个国际团队目前在寻找一种价格合理的替代解决方案的道路上取得了突破：他们能够基于一项尚不成熟的技术——激光等离子体加速，在紫外条件下演示播种自由电子激光。在未来，这可能允许构建更紧凑的系统，这将大大扩展自由电子激光的可能应用。这项研究合作成果发表在《自然光子学》杂志上（DOI:10.1038/s4566-022-01104-w）。
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：借助强大的射频波，加速器使电子接近光速。然后，成束的粒子通过“波荡器”——一种具有周期性交变磁场的磁铁装置，迫使电子束进入回旋路径。这导致电子束重组成许多更小的电子群——微电子束，它们一起发射出极强的类似激光的光脉冲。然后，这些数据可以用来破译以前未知的材料性质，或者追踪极快的过程，例如发生在数十亿秒内的化学反应。
然而，价值数十亿美元的欧洲XFEL和其他类似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，以使此类设施更小、更具成本效益，这样将来它们就可以更接近大学和工业界的用户。”基础是一项仍在开发中的新加速器技术——激光等离子体加速。
HZDR物理学家Arie Irman博士解释道：“使用高功率激光，我们向等离子体发射短而超强的光，等离子体是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将电子快速加速到更高的速度。原则上，这可能会将一个100米长的加速器缩小到一米以下。
成功的团队合作
原则上，电子早就用这种技术加速了。但就在最近，虽然还处于早期阶段，但已经有可能将如此快速的粒子束从等离子体加速器通过波荡器发送，然后将其转换为激光闪光。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物理学家Marie Emmanuelle Couprie博士描述道：“安装在德累斯顿的等离子加速器，由高功率激光DRACO驱动，产生高光束质量的快速电子束。”。“在它的背后，我们随后在帕拉伊索的法国等离子体加速器实验室Laboratoire d‘Optique Appliqueée与PhLAM合作，建造了一个波荡器以及相关的加速器束线，该束线此前已针对电子束传输方法、波荡器辐射的产生、种子的产生和成型（包括重叠问题和方法）进行了优化里尔。”
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。“我们必须产生含有大量电子的粒子束，”Irman解释道。“同时，重要的是这些电子具有尽可能相等的能量。”
为了防止电子束过快地发散，使用了一种精细的技巧：所谓的等离子透镜。此外，该团队还采用了一种称为“播种”的方法：与电子束同步，他们向波荡器发射外部激光脉冲，这对加速FEL过程至关重要，并可提高FEL激光闪光的光束质量。
激光技术的突破
通过这种设置，该团队终于能够实现其目标：正如所希望的那样，演示了等离子体驱动的自由电子激光产生的超短紫外激光闪光。15年来，高级加速器物理学界的人们一直梦想着实现
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