自由电子激光器（FINE）产生的极强光脉冲是研究中的通用工具。特别是在X射线范围内，它们可以用于分析各种材料的原子结构的细节，并以极高的精度跟踪基本的超快过程。

到目前为止，诸如德国的欧洲XFEL之类的FEL一直基于传统的电子加速器，这使得它们又长又昂贵。由法国Synchrotron SOLEIL和德国Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）领导的国际团队现在已经在通往经济实惠的替代解决方案的道路上取得了突破：他们能够基于一种仍然年轻的技术 - 激光等离子体加速，在紫外线状态下演示种子FEL激光。

在未来，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。该研究合作在Nature Photonics杂志上展示了他们的结果。

X射线自由电子激光器是世界上最强大，但也最复杂的研究机器之一。原理：在强大的射频波的帮助下，加速器使电子接近光速。然后，捆绑成束的粒子飞过“波动器”——一种具有周期替场的磁铁排列，迫使电子束进入激流回旋路径。

这导致束重新组织成许多较小的电子组 - 微束，它们一起发出极其强大的激光状光脉冲。然后，这些可用于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和其他类似的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Ulrich Schramm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，然后它们将来可以更接近大学和行业的用户。基础是一种仍在开发中的新型加速器技术——激光等离子体加速。

“使用高功率激光器，我们发射短而超强的光闪光到等离子体中，等离子体是一种带负电的电子和带正电的离子的电离气体，”HZDR物理学家Arie Irman博士解释说。“在等离子体中，光脉冲然后产生强烈的交变电场波，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，这可以将现在一百米长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，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，已经有可能从等离子体加速器通过波动器发送如此快速的粒子束，然后将它们转换为激光闪光。为了首次产生由等离子体加速度驱动的可控FEL激光，HZDR与法国同步加速器SOLEIL的专家合作。

“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，”SOLEIL物理学家Marie-Emmanuelle Couprie博士说。

“在它背后，我们随后建造了一个波动器以及相关的加速器光束线，该波浪线之前已经针对电子束传输方法、波动器辐射的产生、种子的产生和整形进行了优化，包括重叠问题和方法，在法国等离子加速器实验室和里尔的 PhLAM 联合进行了几年。”

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。“我们必须生产含有大量电子的粒子束，”Irman解释说。“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，使用了一种精致的技巧：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动器，这对于加速FEL过程至关重要，并且可以改善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，等离子驱动的FEL演示产生了超短紫外激光闪光。“15年来，先进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，”Ulrich Schramm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Arie Irman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，我们现在已经取得了巨大的进步。

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，虽然德累斯顿的设施能够产生紫外线脉冲，但研究需要高强度的X射线闪光 - 为此电子必须加速到更高的能量。

“这在原则上已经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来说仍然太差和太不稳定，”Schramm说。“但有了新一代高功率激光器，我们希望解决这个问题。如果这项努力成功，自由电子激光器将来可以进入研究所的地下室，因此可以提供给比今天更多的研究团队。

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