自由电子激光器(FEL)产生的极强光脉冲是研究中的多功能工具。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，并高精度地跟踪基本的超快过程。

到目前为止，德国的欧洲XFEL等FEL一直基于传统的电子加速器，这使得它们又长又贵。由法国SynchrotronSOLEIL和德国Helmholtz-ZentrumDresden-Rossendorf(HZDR)领导的国际团队现已在开发负担得起的替代解决方案的道路上取得了突破：他们能够展示基于紫外线机制的种子FEL激光一项还很年轻的技术——激光等离子体加速。

将来，这可能允许研究人员构建更紧凑的系统，这将大大扩展FEL的可能应用。研究合作将他们的成果发表在《自然光子学》杂志上。

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。原理：在强射频波的帮助下，加速器使电子接近光速。然后，粒子束成束，飞过“波荡器”——一种具有周期性交变磁场的磁铁装置，迫使电子束进入激流回旋路径。

这导致电子束重新组织成许多更小的电子组——微电子束，它们一起发出极其强大的、类似激光的光脉冲。然后这些可以用来破译以前未知的材料特性或跟踪极快的过程，例如在千万亿分之一秒内发生的化学反应。

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UlrichSchramm教授说。“这就是为什么我们正在研究一种替代技术，使这些设施更小、更具成本效益，这样它们将来就可以更接近大学和工业界的用户。”其基础是一种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ArieIrman博士解释说：“使用高功率激光，我们将短时超强光发射到等离子体中，等离子体是带负电的电子和带正电的离子的电离气体。”“在等离子体中，光脉冲会产生强烈的交变电场波，类似于船的尾迹。”该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，这可以将现在一百米长的加速器缩短到不到一米的长度。

成功的团队合作

原则上，电子长期以来一直使用这种技术加速。但直到最近，尽管仍处于早期阶段，才有可能从等离子体加速器通过波荡器发送如此快的粒子束，然后将它们转化为激光闪光。为了首次产生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。

由等离子加速器驱动的自由电子激光器产生的第一个可控激光闪光：“种子”光右侧的FEL光束。图片来源：自然光子学(2022)。DOI:10.1038/s41566-022-01104-w

SOLEIL物理学家Marie-EmmanuelleCouprie博士说：“安装在德累斯顿的等离子体加速器由高功率激光DRACO驱动，提供了高光束质量的快速电子束。”

“在它的背后，我们随后构建了一个波荡器以及相关的加速器光束线，该波荡器之前已经针对电子束传输方法、波荡器辐射的产生、种子生成和整形进行了优化，包括重叠问题和法国等离子体加速器中的几年方法Palaiseau的Laboratoired'OptiqueAppliquée实验室与里尔的PhLAM联合。”

为了在紫外线(UV)范围内产生FEL激光闪光，研究人员必须解决几个基本问​​题。“我们必须生产出含有大量电子的粒子束，”Irman解释道。“与此同时，重要的是这些电子拥有尽可能相等的能量。”

为了防止电子束发散得太快，使用了一种改进的技巧：所谓的等离子透镜。此外，该团队部署了一种称为“播种”的方法：与电子束同步，他们将外部激光脉冲射入波荡器，这对于加速FEL过程至关重要，并可以提高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，展示了等离子体驱动的FEL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这样的自由电子激光器，”UlrichSchramm说。“你可以想象我们现在在德累斯顿实现这一目标是多么高兴。”

对于ArieIrman来说，梦想也成真了：“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，我们现在取得了巨大的进步。”

在基于等离子体的FEL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X射线闪光——为此电子必须被加速到更高的能量。

“这已经在原则上通过等离子体加速得到证明，但到目前为止，电子束的质量对于X射线FEL来说仍然太差且太不稳定，”Schramm说。“但有了新一代高功率激光器，我们希望能解决这个问题。”如果这项努力取得成功，自由电子激光器将来可以安装在研究所的地下室中——因此可以供比现在多得多的研究团队使用。