德国-法国研究小组在亥姆霍兹-德累斯顿-罗森道夫中心（HZDR）建立了由等离子体加速器的粒子驱动的自由电子激光器，并首次利用这项仍然年轻的技术产生了可控的激光闪光。前景是由浅蓝色磁铁排列组成的光束线，即起爆器；背景是HZDR的高功率激光器DRACO的金属束室。资料来源：HZDR/S. Dittrich

由自由电子激光器（FELs）产生的极强的光脉冲是研究中的通用工具。特别是在X射线范围内，它们可以被用来分析各种材料的原子结构的细节，并非常精确地跟踪基本的超快过程。

到目前为止，像德国的欧洲XFEL这样的FEL是以传统的电子加速器为基础的，这使它们变得漫长而昂贵。由法国同步辐射SOLEIL和德国亥姆霍兹-德累斯顿-罗森道夫中心（HZDR）领导的一个国际团队，现在已经在通往一个可负担得起的替代解决方案的道路上取得了突破：他们能够在紫外线体系中展示基于一种仍然年轻的技术--激光-等离子体加速的种子式FEL发光。

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。这项研究合作在《自然-光子学》杂志上发表了他们的成果。

X射线自由电子激光器是世界上最强大，但也是最复杂的研究机器之一。其原理是：在强射频波的帮助下，一个加速器将电子带到接近光速的位置。然后，这些捆成束的粒子飞过 "起伏器"--一个具有周期性交变场的磁铁排列，迫使电子束走上回旋的道路。

这导致电子束重组为许多更小的电子群--微型电子束，它们一起发射出极其强大的、类似激光的光脉冲。然后，这些光脉冲可以被用来破译以前未知的材料特性，或追踪极快的过程，如发生在几十亿分之一秒内的化学反应。

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。"HZDR辐射物理研究所所长Ulrich Schramm教授说："它们有几百米甚至几千米长。"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、更有成本效益，然后它们在未来可以更接近大学和工业界的用户。" 其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博士解释说："使用高功率激光器，我们向等离子体发射短而超强的光束，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，光脉冲然后产生一个强烈的交变电场波，类似于船舶的尾流"。这种波可以在很短的距离内迅速将电子加速到更高的速度。原则上，这可以将现在长达一百米的加速器缩小到远小于一米的长度。

成功的团队合作

原则上说，电子早已用这种技术进行了加速。但直到最近，尽管仍处于早期阶段，才有可能将这种快速粒子束从等离子体加速器中送出，通过一个起伏器，然后将其转化为激光光束。为了首次产生由等离子体加速器驱动的可控制的FEL激光，HZDR与法国同步加速器SOLEIL的专家进行了合作。

由等离子体加速器驱动的自由电子激光器发出的第一个可控激光闪光。位于 "种子 "光右侧的FEL-光束。资料来源：《自然-光子学》（2022）。DOI: 10.1038/s41566-022-01104-w

"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，由高功率激光器DRACO驱动，提供高光束质量的快速电子束。

"在它的背后，我们随后建立了一个起伏器以及相关的加速器光束线，之前在法国帕莱索的等离子体加速器实验室Laboratoire d'Optique Appliquée与里尔的PhLAM共同对电子束传输方法、起伏器辐射的生成、种子生成和整形包括重叠问题和方法进行了数年的优化。"

为了在紫外线（UV）系统中产生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解释说。"同时，重要的是这些电子拥有尽可能平等的能量"。

为了防止电子束过快地发散，使用了一个精致的技巧：所谓的等离子体透镜。此外，该团队还采用了一种被称为 "播种 "的方法：与电子束同步，他们将外部激光光脉冲射入起伏器，这对于加速FEL过程至关重要，并允许改善FEL激光闪烁的光束质量。

激光技术的突破

有了这种设置，该团队终于能够实现其目标：如愿以偿地展示了等离子体驱动的FEL产生的超短紫外激光闪光。"乌尔里希-施拉姆说："15年来，高级加速器物理学界的人们一直梦想着能实现这样的自由电子激光器。"你可以想象，我们现在在德累斯顿实现了这一点，我们是多么高兴。"

对于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展"。

在基于等离子体的自由电子激光器能够投入实际使用之前，仍有各种挑战需要克服。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，而电子必须被加速到更高的能量。

"Schramm说："这在原则上已经通过等离子体加速得到了证明，但是到目前为止，电子束的质量仍然太差，而且对于X射线快门来说太不稳定。"但是通过新一代的高功率激光器，我们希望能够解决这个问题。" 如果这项努力成功了，自由电子激光器在未来就可以放入研究所的地下室--因此可以为比现在多得多的研究团队提供服务。

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