小身材有大本事!上海科学家为自由电子激光装置“瘦身” 并率先完成原理验证

小身材有大本事!上海科学家为自由电子激光装置“瘦身” 并率先完成原理验证飞入寻常百姓家
来源:新民晚报   作者:郜阳   2021-07-21 23:19:18

图说:上海光机所强场激光物理国家重点实验室 新民晚报记者 郜阳 摄(下同)

过去,自由电子激光产生要在大科学装置里经历公里级的“漫长旅程”,中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室历经十年创新,将这段“光之旅”缩短到十数米。打比方来说,自由电子激光的输出以往就像飞机起飞前在跑道上滑行蓄力,现在弹射就行了。

具体而言,研究团队在实验中首次实现了基于激光加速器的自由电子激光放大输出,典型激光波长27纳米,最短激光波长可达10纳米级,单脉冲能量可达100纳焦耳级。由此,中科院上海光机所也在国际上率先完成了台式化自由电子激光原理的实验验证,这对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。

这项研究成果也在今天深夜登上国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)的封面。“封面设计得很梦幻,而我们把梦变成了现实。”中科院上海光机所研究员王文涛说。

由大变小

说起X射线自由电子激光装置,大家也许并不陌生,目前世界上有8台正在运行的大装置普遍具有公里级的规模。“X射线自由电子激光是最先进的研究工具之一,具有超快时间分辨、超高空间分辨和超强峰值亮度的特征,在超快化学、结构生物学等研究中有着广泛应用前景。”王文涛介绍。不过,现阶段建成的装置可都是“大家伙”,占地大、耗资高、论证时间长,而且想使用的科学家还得争取紧张的机时。

计算机刚刚诞生时,也是庞然大物,走过了从大规模电路到晶体管再到集成电路的“小型化之路后,才变成了今天的模样。相比之下,自由电子激光的小型化之路来得更快——2004年,美、英、法等国的科学家团队首次在实验上取得激光尾波场电子加速的突破,被称为“梦之束”。此后,利用激光尾波场加速器驱动的小型化自由电子激光,特别是X射线波段的自由电子激光,便成为该领域科学家共同追求的前沿。

如何理解激光尾波场电子加速?王文涛解释,可以想象一下快艇在水上飞驰。“艇后激发波浪,相当于把水排开了,有些水会往波浪里灌,跟着浪快速往前走。”他说,“激光排开等离子体,形成一系列尾波,电子会进入尾波中,跟着它一起以接近光速的速度运送,共同推动产生高能量。”

十年磨一剑

在王文涛看来,小型化的台式自由电子激光发展是必然。它让加速器的长度从千米级降到了厘米级,更有利于推广和应用。此外,它还具有极大的峰值电流强度和时间分辨。不过,当下激光尾波场电子加速的品质还不如传统加速器,尤其是电子束的能散和稳定性上。

图说:科研人员在实验中

为此,中科院上海光机所研究团队多年来一直致力于激光加速电子束品质与稳定性的提升。2011年,团队在国际上率先突破激光电子加速中电子注入与电子加速这两个基本物理过程无法分离与分别控制的重大瓶颈,首次利用两级级联的激光加速获得“十亿电子伏特”级准单能电子束。这一突破领先于美国两大国家实验室,使我国在该领域的研究具有较高的起点。

在2014年至2016年间,研究团队又利用实验室自行研制的200太瓦激光装置,获得了高亮度、高品质的高能电子束,这是国际上首次接近最先进直线加速器上所能获得的电子束亮度。在最近两年多时间里,研究团队通过特定的等离子体密度分布,在获得低能散的同时,保持了电子获得高效加速。“就像射门,每次既要有力量和速度,又要稳定控制方向。”王文涛打比方说。

调试过程同样考验重重。“电子束的抖动不能大于0.1毫弧度。这相当于要在4公里外准确击中一个乒乓球。”他表示。功夫不负有心人,研究团队首次在实验上观测到极紫外波段的辐射信号,典型的辐射波长27纳米。这是国际上首次实现基于激光电子加速器的极紫外波段的自发辐射放大输出,对于小型化、低成本的X射线自由电子激光器的研制具有重大意义。

甘坐冷板凳

这一突破也获得了国际同行的高度认可。有科学家认为,这代表了基于等离子体加速的紧凑型自由电子激光发展的重要一步,将对同行科研人员产生重大影响,是一项重大的技术突破。

创造这一突破的是支年轻的队伍,团队建立之初,35岁以下青年科技人员占比超过75%。彼时,大家喊出“加班奋战三百天,不见出光誓不还”的口号,没想到将“冷板凳坐热”花了远不止这点时间。

王文涛告诉记者,这一成果距离台式化自由电子激光器工程化研制还有非常遥远的距离。据悉,未来,研究团队将进一步提升自由电子激光的输出功率和光子能量,并作为上海超强超短激光实验装置中超快化学与大分子动力学研究平台的重要组成部分,提供开放共享。

这几天,加强基础研究的呼声再度响起。在中科院上海光机所所长邵建达看来,基础研究与工程紧密相连,此次成果表明,关键技术和理论的突破同样能带来工程上的迈进。

新民晚报记者 郜阳

编辑:钱文婷

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