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科学仪器的“瘦身”成功
来源:经济参考报
如果有一个神奇的相机，快门速度快到可以以飞秒计算，分辨率清晰到0.1 nm，并且有足够的曝光亮度，用它拍出来的照片会是什么样子？
答:可以清晰地拍摄水分子，看到化学键的断裂，甚至记录电子的运动。
实际上，这个强大的“相机”是最先进的一种科学仪器——X射线自由电子激光装置，世界各地已经建造了八个，包括位于上海张江的软X射线自由电子激光装置。
不过，都是身长几百米到几公里的“大家伙”。为了实现普及，国际上已经努力使该设备小型化。近日，记者采访了率先验证台式自由电子激光原理的中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室团队。相关成果于2021年登上《自然》封面，今年入选2021年中国光学十大进展。
从结构上看，自由电子激光装置由加速器和波荡器组成。简单来说，就是让电子先在加速器中加速到接近光速，然后进入波荡器，在波荡器中做周期性运动，辐射出光。
“无论是从规模还是关键技术来看，加速器都是更核心的，也是小型化的主要目标。”团队研究员王表示，自诺贝尔物理学奖诞生以来，超过一半的奖项都与加速器和辐射源的应用有关。
传统的方案是在加速器两端施加高压，对低能电子进行加速。因为不可能无限高压的增加加速梯度，为了获得高能量，加速距离往往长达千米。直到2004年，被学术界称为“梦幻光束”的激光尾场电子加速横束[/k0/]，诞生了。美、法、英等国科学家在实验中取得激光尾流场电子加速的突破，使加速器有可能短至厘米。
“激光尾流场电子加速”可以形象地想象成电子在激光尾流中“冲浪”。王用一项水上运动“尾波滑水”作比喻:运动员在帆板上跟随快艇，利用快艇形成的波浪在水上冲浪。因为波速与船速相同，运动员会以接近船速的速度前进。
有趣的是，强激光也能在气体中激发出这种“波”，被俘获的电子像运动员一样随着激光向前奔跑，在极短的距离内逼近光速。
“我们在2012年立项，与美国、法国、德国、日本等国家竞争研发台式自由电子激光器。”王对说道。
背靠中科院上海光机所在超级激光领域的技术优势和实验便利，团队于2018年成功研制出稳定的台式激光电子加速器，这标志着我国台式电子加速领域实现了从实验到仪器的最关键转变。
2021年，我们团队基于激光电子加速器实验获得了极紫外波段自发辐射的放大输出，这是国际上首次验证基于这种新型加速器的小型化自由电子激光器的原理。《自然》杂志以封面的形式刊登了这一成果，评论道:“这一成果是自2004年报道‘梦光束’以来，激光尾流场领域的又一里程碑式的成就，将对同行研究人员产生重大影响，是一项重大突破。”
全长18米，其中加速器不足2米。目前，该团队已经成功地将一个典型的自由电子激光器结构缩小到1/20。
“它的特点是桌面化，成本更低，易于推广普及，使命是成为更多研究领域最先进的工具。”王说，目前，这项技术才发展了不到20年。与传统的科学仪器软X射线自由电子激光装置和硬X射线自由电子激光装置相比，其性能还有很长的路要走。
这一系列结果证明了激光尾场的电子加速可以作为自由电子激光，也使得小型化电子加速器的研究受到更多的关注。也许更多的大型设备会逐渐变小，应用到医院、学校等更多的科研领域。
记者了解到，该装置作为国家重大仪器专项建设内容，目前已开放运行，北京航空航天大学空、中国工程物理研究院等单位也依托该装置开展合作研究。“最近主要是器件性能的进一步优化，重点是驱动光源的稳定性和电子质量的优化，包括我们想把波长从极紫外波段推到X射线波段，以拓展器件的应用领域，进行大规模的开放操作。”王对说道。
此外，该团队还试图继续缩小设备的尺寸。例如，未来可以使用束流压缩技术来进一步增强电流强度，并将波荡器辐射段的尺寸从目前的10m缩短到2m。
