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X射線自由電子激光器，由于可以產生強烈的相干輻射，且波長向下至次-埃級區域，因此，已經成為結構生物學和化學等學科中不可缺少的應用工具。一些X射線自由電子激光設備正在運行中；然而，它們對大型、高成本、最先進的射頻加速器的要求，引發了人們對發展緊湊和經濟的加速器的極大興趣。

激光尾場加速器(LWFA)，可以承受比射頻加速器高三個數量級以上的加速度梯度，被認為是驅動緊湊X射線自由電子激光器的一個有吸引力的選擇。然而，由于基于激光尾場加速器的電子束質量相對較差，因此，實現此類設備仍然是一個挑戰。

在此，來自中國科學院上海光學精密機械研究所的王文濤和劉建生&中國科學院上海光學精密機械研究所和上海科技大學的李儒新等研究者，在激光尾場加速器的基礎上，利用電子束實現了指數增益條件下的波動輻射放大實驗。相關論文以題為“Free-electron lasing at 27 nanometres based on a laser wakefield accelerator”于2021年07月21日發表在Nature上。

在此，研究者報道了用LWFA加速電子束，產生了具有指數放大的波動輻射。所產生的輻射，通常集中在27納米的波長，并包含一個最大的光子數約為10¹⁰次，對應的最大輻射能約為150 nJ。通過軌道沖擊干擾FEL過程，測量了極紫外輻射強度與波動子長度的關系，從而直接驗證了指數放大效應。在設備的三分之一的波動器中，輻射功率的最大增益約為100倍，從而證實了在指數增益條件下的成功操作。

上海光機所2021年第1篇Nature！

圖1. 基于LWFA的自由電子激光實驗原理圖

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圖2. 波動輻射的測量

圖3. 在27納米處的波動輻射測量

綜上所述，該研究成果為利用激光尾場加速器，實現自由電子激光提供了一個原理證明，為基于該技術開發具有廣泛應用前景的致密X射線自由電子激光器鋪平了道路。

此外，有必要進一步發展分析飛秒長電子束的技術，包括尾場檢測和電子束的時空結構診斷等。進一步開發LWFAs，需要實現閉環反饋和自動優化系統，從而實現桌面FEL并得到廣泛應用。

文獻信息

Wang, W., Feng, K., Ke, L.?et al.?Free-electron lasing at 27 nanometres based on a laser wakefield accelerator.?Nature?(2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03678-x

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03678-x#citeas

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