中国科学院上海光学精密机械研究所高场激光物理国家重点实验室超短激光装置在基于激光加速器的小型化自由电子激光器研究方面取得突破性进展。通过显着提高激光尾流场加速的电子束质量，结合创新设计的紧凑型光束传输和辐射系统，研究团队首次在实验上实现了基于激光加速器的自由电子激光放大输出。典型的激光波长为27nm，最短的激光波长可达10nm级，单脉冲能量可达100nJ级。率先完成桌面自由电子激光器原理的实验验证，对研制小型化、低成本的自由电子激光器具有重要意义。相关研究成果将于2021年7月22日作为封面文章发表在Nature杂志上。

自由电子激光是实现X射线波段高亮度相干光源的最佳技术途径. X射线自由电子激光可用于探测物质的内部动力学结构，研究光与原子、分子和凝聚态物质的关系。这种相互作用的过程极大地促进了表面物理学、半导体物理学、凝聚态物理学、化学、结构生物学、医学、材料、能源、环境等学科的发展。发展小型化、低成本的X射线自由电子激光器已成为重要的发展方向，这对于扩大应用领域和产生变革性技术具有极其重要的意义。

超强超短激光驱动的尾流场电子加速机制可以提供比射频电子加速器高三个数量级的超高加速度梯度。因此，它已成为研制小型化高能电子加速器的主要技术路线。自2004年激光尾流场电子加速在世界上首次突破以来，利用激光尾流场加速器驱动小型化自由电子激光器，尤其是X射线波段自由电子激光器，已成为科学家们共同的事业。在这个领域里。追求的境界。近年来，在激光尾流场加速方面取得了许多重要进展，但对于驱动自由电子激光器，电子束的质量和稳定性仍面临诸多问题和挑战，相关研究尚处于起步阶段.

多年来，上海光机所研究团队一直致力于提高激光加速电子束的质量和稳定性。通过设计特殊的等离子体密度分布结构，优化和控制电子束的注入过程和加速过程。 ，使电子束的整体质量（包括能量色散、发射率、功率等）得到有效提高。同时，通过控制和优化电子束的相空间演化，实现电子束从等离子体到真空的平滑过渡，并设计相应的束流传输和波幅辐射系统，实现远距离传输。的电子束并有效地耦合到波荡器。 .研究小组首次通过实验观察到极紫外辐射信号。典型辐射波长为27nm，单脉冲辐射能量可达150nJ。波荡器末级能量已通过轨道位移、自发辐射定标等方法得到证明。增益高达100倍。这是世界上首次实现基于激光电子加速器的EUV波段自发辐射的放大输出，对于开发小型化、低成本的X射线自由电子激光器具有重要意义。

审稿人对这项工作给予了高度评价，“该成果是自《自然》报告以来激光尾流领域的又一里程碑式成就？2004年《梦之束》……科学成就杰出，有毫无疑问……这一里程碑将为新的应用创造新的可能性……” “……代表着开发基于等离子体加速的紧凑型自由电子激光器的重要一步……报道的技术它将具有对同行研究人员影响重大，是重大技术突破……” “……作者的作品是一流的，让最广泛的相关读者能够欣赏到实验研究团队的重大成果。祝贺基于等离子体加速技术的小型自由电子激光器的实现，这是一个重要新兴领域的里程碑……”

未来，研究团队将进一步提高自由电子激光器的输出功率和光子电子激光器。能源，作为上海超短激光实验设施（SULF，“西河”设施）超快化学和高分子动力学研究平台的重要组成部分，提供开放共享。

相关研究工作得到了国家重大仪器专项、中国科学院战略性先导专项（B类）、国家重大专项、中国科学院优秀成员的支持。科学院青年促进会。

图1.小型化自由电子激光器件示意图

图2？自发辐射放大输出能量、波长和相干性

来源：中国科学院上海光学精密机械研究所。