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軍工航天新聞

縮小100倍!自由電子激光裝置如何從“公里級”到“臺式化”?

星之球科技 來源:上觀新聞2021-07-26 我要評論(0 )   

7月22日,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所基于激光加速器的小型化自由電子激光研究成果,作為封面文章刊登上了《自然》雜志。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激...

7月22日,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所基于激光加速器的小型化自由電子激光研究成果,作為封面文章刊登上了《自然》雜志。

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,利用自行研制的超強(qiáng)超短激光裝置,顯著提升了激光尾波場加速的電子束品質(zhì)。同時,研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計(jì)的緊湊型束流傳輸與輻射系統(tǒng),首次實(shí)現(xiàn)了基于激光加速器的自由電子激光放大輸出,典型激光波長27納米,最短激光波長可達(dá)10納米級,單脈沖能量可達(dá)100納焦級,在國際上率先完成了臺式化自由電子激光原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對于發(fā)展小型化、低成本自由電子激光器具有重大意義。

圖片1

新建成的緊湊型束流傳輸與波蕩器輻射出光實(shí)驗(yàn)裝置。

迄今為止,自由電子激光是實(shí)現(xiàn)X射線波段高亮度相干光源的最佳技術(shù)途徑,X射線自由電子激光可用于探測物質(zhì)內(nèi)部動態(tài)結(jié)構(gòu)和研究光與原子、分子和凝聚態(tài)物質(zhì)的相互作用過程,極大地促進(jìn)表面物理、半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料、能源、環(huán)境等多學(xué)科的發(fā)展。研制小型化、低成本的X射線自由電子激光成為重要的發(fā)展方向,對于拓展應(yīng)用和產(chǎn)生變革型技術(shù)都是極其重要的。

圖片2

實(shí)驗(yàn)室場景。

超強(qiáng)超短激光驅(qū)動的尾波場電子加速機(jī)制,可以提供比射頻電子加速器高三個數(shù)量級以上的超高加速梯度,因而成為研制小型化高能電子加速器的主要技術(shù)路線。2004年,美、法、英等國的科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)上取得激光尾波場電子加速的突破。此后,利用激光尾波場加速器驅(qū)動的小型化自由電子激光,特別是X射線波段的自由電子激光,便成為該領(lǐng)域科學(xué)家共同追求的前沿目標(biāo)。目前,世界上已經(jīng)建好并正在運(yùn)行的X射線自由電子激光裝置僅有8臺,但它們的規(guī)模達(dá)到了“公里級”。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的新成果,將“公里級”的裝置“臺式化”縮小為十二米的裝置,為發(fā)展小型化、低成本自由電子激光器邁出了至關(guān)重要的一步。

圖片3

自由電子激光輻射輸出信號診斷。

盡管激光尾波場加速已經(jīng)取得許多重要進(jìn)展,但是對于驅(qū)動自由電子激光而言,無論是電子束品質(zhì)還是穩(wěn)定性,都還面臨著諸多問題與挑戰(zhàn),相關(guān)的研究還處于起步階段。多年來,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的研究團(tuán)隊(duì)一直致力于激光加速電子束品質(zhì)與穩(wěn)定性的提升,通過設(shè)計(jì)特殊的等離子體密度分布結(jié)構(gòu),優(yōu)化電子束的注入過程與加速過程,使得電子束綜合品質(zhì)(包括能散、發(fā)射度、電量等)得到有效的提升。同時,通過控制電子束相空間演化實(shí)現(xiàn)了電子束從等離子體到真空的平穩(wěn)過渡,并設(shè)計(jì)相應(yīng)的束流傳輸與波蕩器輻射系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電子束長距離傳輸并有效耦合至波蕩器中。研究團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)上觀測到極紫外波段的輻射信號,典型的輻射波長27納米,單脈沖輻射能量最高可達(dá)150納焦,并通過軌道偏移以及自發(fā)輻射定標(biāo)等方法證實(shí)了最后一段波蕩器中能量增益高達(dá)100倍。這是國際上首次實(shí)現(xiàn)基于激光電子加速器的極紫外波段的自發(fā)輻射放大輸出,對于小型化、低成本的X射線自由電子激光器的研制具有重大意義。

圖片4

實(shí)驗(yàn)室場景。

國際同行對這項(xiàng)研究成果給予了高度評價(jià),“該成果是激光尾波場領(lǐng)域自2004年《自然》‘夢之束’報(bào)道以來又一里程碑式的成果...科學(xué)成就是突出的,這是毫無疑問的...這個里程碑將為新的應(yīng)用創(chuàng)造新的可能...”“...代表了基于等離子體加速的緊湊型自由電子激光發(fā)展的重要一步...所報(bào)道的技術(shù)將對同行科研人員產(chǎn)生重大影響,是一項(xiàng)重大的技術(shù)突破...”

未來,研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步提升自由電子激光的輸出功率和光子能量,并作為上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置(“羲和”激光裝置)中超快化學(xué)與大分子動力學(xué)研究平臺的重要組成部分,提供開放共享。


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