摘要

本调研以中国科学院上海光学精密机械研究所发表于Nature的论文为中心，介绍了我国在基于激光加速器的小型化自由电子激光领域取得的成就。从自由电子激光器（FEL）、激光尾场加速两个核心模块，原理、系统构成、应用三个方面简要介绍了该激光技术的特色点与先进处。自由电子激光器为我们展现了产生激光的另一种原理，激光尾场加速则向我们揭示了非线性系统独特的特性。

1 成就

2021年7月22日，Nature封面文章展示了来自中国科学院上海光学精密机械研究所的最新研究成果——基于激光加速器的小型化自由电子激光。实验上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纳焦级，国际率先完成了台式化自由电子激光原理的实验验证，对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。该项研究成果中使用的“激光等离子体尾波加速器”、“自由电子激光”两项技术均不同于传统加速器技术与激光技术，是国际上对应领域的前沿方向。该成果标志着我国在激光尾波场领域自2004年Nature“梦之束”以来又一里程碑式成果、标志着小型化自由电子激光领域取得了国际上的里程碑式成果，实现了我国在这些领域国际上的领跑。是我国近年来激光技术取得的重大成就之一。

2 自由电子激光器

2.1 概述

自由电子激光器（FEL）是一种（第四代）光源，产生极其明亮和短的辐射脉冲。FEL在许多方面具备与传统激光器一致的作用和行为。但本质上，FEL使用相对论电子为增益物质，通过大量电子在磁性结构中运动产生激光，并依赖激光与电子的相互作用产生相干光子，指数级的增加激光强度。FEL可通过调谐以构建波长范围从微波到太赫兹辐射、再到可见光和X射线。FEL首次问世于1971年，从此被积极的发展着。

需要注意的是，FEL与该课程所接触到激光器具有本质上的区别。在该课程中，激光的产生依赖原子能级的跃迁（泵浦）与谐振腔内的放大，而FEL则依赖于电子运动状态的改变与整体行为作用产生的放大。具备相似性、但核心原理有着明显的不同。但私认为这同样能够代表我国先进激光技术。

2.2 原理

自由电子激光原理与依赖能级泵浦的粒子数反转有本质不同。核心由电子源和磁铁振荡器——一系列磁极交替的二级磁铁组成。将一束相对论自由电子注入到振荡器中，初始电子间位置随机分布、相位随机。电子在磁场中受洛伦兹力作用发生偏振，在交替变化的磁场中电子轨迹呈正弦分布。电子偏转时由于电子加速度变化产生同步辐射，在正弦函数波峰位置处偏转最强、辐射方向沿切向、形成前向定向辐射。相位接近的电子产生高强度的相干辐射，辐射与电子的相互作用会使得电子逐渐沿特定相位分布，进一步的增强相干辐射，引发正反馈过程并形成多束分布，辐射强度达到饱和输出自由电子激光。输出激光波长为：

其中，lambda_mu为相邻磁铁的间距，K为振荡强度、由磁铁强度和间距决定。gamma为电子的洛伦兹因子、即电子能量。gamma越接近、激光波长越接近、单色性越好。能散越小，亮度越高。

图（a）展示了FEL的基本原理。图（b）展示了刺激强度对激光亮度的影响。
以X-FEL为例，限制激光器各项指标的方程如下所示：

而获得相对论电子束以驱动FEL需要使用巨大的能量，这往往伴随着大型加速器装置与复杂的控制系统，使得其大规模生产应用变得困难。为获得相对论电子束，一种新型的加速技术被提出。“原汤化原食”，从激光到激光，我们发现激光能够高效的加速电子。

3 基于激光加速器的小型化自由电子激光

3.1 激光与等离子体的相互作用

激光能够产生等离子体。大于10^14W/cm^2的高功率激光能够在亚皮秒时标上引起隧穿电离；激光的简单渐热也可以促进组分粒子间碰撞造成电离；亦或是降原子提升到稳定的高激发Rydberg态、增大碰撞界面以提升碰撞电离概率。当激光与等离子体发生相互作用时，能够在等离子体中产生有质动力。

此外，在等离子体这样的高度非线性系统中，激光的入射将会产生更加深远的影响。借助计算机技术，可以使用PIC算法计算。

3.2 激光尾场加速

上述有质动力推动电子向前运动，由于离子质量较大而几乎保持不动。当激光脉冲超越电子后由于正负电荷分离产生的静电力会将电子拉向平衡位置从而令电子振荡形成等离子体波，该波收激光激发而位于脉冲后发，被称为激光尾波，对应电场为激光尾波场。尾波场以同样的相速度向前传播，幅度比射频加速器高3个量级。当等离子体的密度达到10^8时，尾波场的强度可以达到100GV/m。当满足一定条件时，电子可以被俘获且被加速。
同样来自中国科学院上海光学精密机械研究所的研究给出了一种通过密度锥形等离子体从激光韦克菲尔德加速器以每分钟水平取出几根近GeV电子束的方法，在此不做赘述。

3.3 基于激光加速器的小型化自由电子激光

从气体目标到X射线光谱仪总长仅12米。首先使用200TW的激光系统聚焦在气体目标上，并通过优化控制获得了峰值集中在490MeV、电子束能量波动少于3%的高质量电子束。离开等离子体后，加速电子束由经过四级透镜有效聚焦，之后通过三组磁波动器产生自由电子激光。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纳焦级。能够达到 ångströms级的空间分辨率与飞秒级的时间分辨率。
实验室规模的紧凑型FEL（尺寸约为10米），具有低成本（近500万美元）、高时间分辨率（飞秒级）、高分辨率（纳米级）和超高精度定时控制（小于1 fs）等优点，通过不断改善电子束的可靠性，能够进一步的加强紧凑型FEL的发展。为光谱学、凝聚态物理学、化学、软物质和结构生物学带来了新变化、开辟了新的研究领域。

参考文献

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