如果有一臺(tái)神奇相機(jī)，快門速度快到以飛秒計(jì)算(1秒=10的15次方飛秒)，分辨率清晰到0.1納米，并且具有充足的曝光亮度，那么用它拍出的照片會(huì)是什么樣的？
答案：它能清楚地拍下水分子，能看到化學(xué)鍵的斷裂，甚至能記錄電子的運(yùn)動(dòng)。
(資料圖片)
在現(xiàn)實(shí)中，這種性能強(qiáng)大的“相機(jī)”是最先進(jìn)的一類大科學(xué)裝置——X射線自由電子激光裝置，全球已建成8臺(tái)，包括位于上海張江的軟X射線自由電子激光裝置。
不過，它們都是長度在數(shù)百米至數(shù)公里的“大家伙”，為了實(shí)現(xiàn)普及，國際上一直在努力讓該裝置小型化。近日，記者采訪到率先完成臺(tái)式化自由電子激光原理驗(yàn)證的中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)，相關(guān)成果2021年以封面形式發(fā)表在《自然》雜志，并在今年入選2021中國光學(xué)十大進(jìn)展。
從構(gòu)造看，自由電子激光裝置由加速器和波蕩器兩部分組成。簡單說，就是先讓電子在加速器里加速到接近光速，然后進(jìn)入波蕩器，在波蕩器內(nèi)做周期運(yùn)動(dòng)輻射出光。
“不論是從尺寸上，還是從關(guān)鍵技術(shù)上，加速器都更核心，也是縮小的主要目標(biāo)。”團(tuán)隊(duì)研究員王文濤說，自諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)Q生以來，一半以上的獲獎(jiǎng)與加速器和輻射源的應(yīng)用相關(guān)。
傳統(tǒng)方案是在加速器兩端加高壓，對低能電子進(jìn)行加速。由于不能無限制加高壓來提升加速梯度，為了獲得高能，加速距離往往長到以公里計(jì)。直到2004年，被學(xué)界稱為“夢之束”的激光尾波場電子加速橫空出世，美法英等國科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中取得激光尾波場電子加速突破，讓加速器具備了短到厘米量級(jí)的可能性。
“激光尾波場電子加速”可以形象地想象成電子在激光尾波中“沖浪”。王文濤用一項(xiàng)水上運(yùn)動(dòng)“尾波沖浪”打比方：運(yùn)動(dòng)員踏著帆板跟在快艇后，利用快艇排開水面形成的波浪沖浪，因?yàn)椴ɡ怂俣扰c船速一致，運(yùn)動(dòng)員也會(huì)以接近船速的速度前進(jìn)。
有趣的是，強(qiáng)激光在氣體中也能激發(fā)這種“波浪”，被捕獲的電子像運(yùn)動(dòng)員一樣隨著激光往前跑，在非常短的距離內(nèi)接近光速。
“我們2012年立項(xiàng)，同美法德日等國展開研制臺(tái)式化自由電子激光的競爭?！蓖跷臐f。
背靠中科院上海光機(jī)所在超強(qiáng)激光領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢和實(shí)驗(yàn)便利，團(tuán)隊(duì)在2018年成功研制穩(wěn)定臺(tái)式化激光電子加速器，標(biāo)志我國在臺(tái)式化電子加速領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從實(shí)驗(yàn)到儀器最為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變。
2021年，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上基于激光電子加速器獲得極紫外波段的自發(fā)輻射放大輸出，是國際上首次基于這種新型加速器實(shí)現(xiàn)小型化自由電子激光的原理驗(yàn)證?！蹲匀弧冯s志以封面形式發(fā)表該成果，評論稱：“該成果是激光尾波場領(lǐng)域自2004年‘夢之束’報(bào)道以來的又一里程碑式的成果，將對同行科研人員產(chǎn)生重大影響，是一項(xiàng)重大的突破?！?/p>
總長度18米，其中加速器不足2米，團(tuán)隊(duì)目前成功將一個(gè)典型的自由電子激光結(jié)構(gòu)縮小到1/20。
“它的特點(diǎn)就是臺(tái)式化，成本更低，易于推廣和普及，在更多研究領(lǐng)域發(fā)揮它作為最先進(jìn)的工具的使命?！蓖跷臐硎?，目前，這一技術(shù)畢竟才發(fā)展了不到20年，它的性能與傳統(tǒng)的大科學(xué)裝置軟X射線自由電子激光裝置和硬X射線自由電子激光裝置相比還有不小的差距，還有很長的路要走。
這一系列成果證明激光尾波場電子加速是可以用來做自由電子激光的，也使得小型化的電子加速器研究受到更多關(guān)注，或許會(huì)有更多大裝置逐漸變小，應(yīng)用到醫(yī)院、學(xué)校等更多的科學(xué)研究領(lǐng)域。
記者采訪了解到，該裝置作為國家重大儀器專項(xiàng)的建設(shè)內(nèi)容，目前已經(jīng)開放運(yùn)行了，北京航空航天大學(xué)、中國工程物理研究院等單位也依托該裝置開展合作研究。“近期，主要是裝置性能的進(jìn)一步優(yōu)化，專注于驅(qū)動(dòng)光源穩(wěn)定性和電子品質(zhì)優(yōu)化，包括我們想把波長從極紫外波段推進(jìn)到X射線波段，從而拓展裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，再做大規(guī)模的開放運(yùn)行?！蓖跷臐f。
另外，團(tuán)隊(duì)也在嘗試?yán)^續(xù)縮小裝置的尺寸，比如未來可以通過束流壓縮技術(shù)進(jìn)一步提升流強(qiáng)，將波蕩器輻射段的尺寸從現(xiàn)在的10米縮短到2米。
（文章來源：經(jīng)濟(jì)參考報(bào)）
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