目前世界上的自由電子激光（FEL）裝置動輒超過千米、投資數(shù)以億計。不過，將來這種裝置可能像打印機一樣，可以放在辦公桌上使用。全球科學家正在為此而努力，而研制出適用于FEL“臺式機”的高品質輻射源，則是其中最為關鍵的一步。

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場物理國家重點實驗室研究團隊依托于實驗室自行研制的高性能200TW重頻激光裝置，在臺式化激光電子加速器領域首次將高能電子束能散壓縮至千分之二，這一成果將極大的推動臺式化新型輻射源的研制。相關的研究成果近期發(fā)表在Physical Review Letter上。

作為世界上最高亮度的X射線相干光源，自由電子激光（FEL）具有超高亮度、超短脈沖、波長連續(xù)可調等一系列優(yōu)勢，在原子分子物理學、凝聚態(tài)物理學、材料化學、結構生物學等諸多領域具有重大應用價值，極大的推動了人類科學的進步。

然而基于傳統(tǒng)射頻直線加速器的自由電子激光裝置動輒數(shù)百米甚至數(shù)公里，耗資可達數(shù)億乃至數(shù)十億美元，限制了其進一步發(fā)展。

利用超強超短激光在等離子體中誘發(fā)的等離子體波來加速高能電子（LWFA）的方案，其加速梯度高于傳統(tǒng)加速器三個量級以上，將極大的促進小型化加速器的研究，世界超強激光和傳統(tǒng)加速器實驗室紛紛開展這一領域的研究。

實現(xiàn)FEL需要高品質的電子束流，而LWFA所獲得的電子束品質，特別是能散度，遠落后于傳統(tǒng)加速器。由于激光驅動的尾波場中不均勻的高加速電場，使得電子在加速過程中獲得很大的能量啁啾，這種啁啾成為電子束能散的主要來源。如何在實驗中獲得千分量級能散并具有一定電荷量的高能電子束，成為研制緊湊型輻射源中的首要目標。

▲LWFA裝置示意圖

為了獲得更低的能散度，通過壓縮電子注入時間和電荷量是一種常用的方式，但這勢必對獲得的電子束品質造成影響。

該團隊設計了一種簡單的噴嘴結構（如上圖中的噴嘴Nozzle與障礙物Baffle），僅調節(jié)噴嘴和障礙物的橫向距離便可控制電子束的注入時間。

通過對該結構的測量和計算，科研人員發(fā)現(xiàn)，電子的注入過程產(chǎn)生于激光自聚焦和密度梯度下降沿（如上圖(c)所示）的協(xié)同作用。這種協(xié)同作用能夠提升電子束注入時刻與流強的可控性，并與后續(xù)電子束能散壓縮過程相匹配，進而獲得較高電量與低能散的電子束。這對于實現(xiàn)臺式化的自由電子激光具有重大意義。

通過壓縮電子束的能量啁啾，可以獲得接近切片能散的電子束，在許多理論中都通過構建特殊的等離子體密度梯度來實現(xiàn)。而該團隊僅僅依靠噴氣形成的密度分布，借助激光自聚焦效應，就可以實現(xiàn)這一過程。

利用該方案該團隊在實驗上獲得了低能散（~0.2%）高能（~820 MeV）的電子束流，并將激光尾波場加速所獲得電子束的最高亮度紀錄提升了2-3倍，該項成果是臺式化激光電子加速器領域首次將高能電子束能散壓縮至千分之二，對于實現(xiàn)臺式化激光尾波場加速器的應用具有重要價值。