科学家向更小、更便宜的自由电子激光器迈出重要一步

研究人员让自由电子激光器朝着更小、更经济的方向前进了一步。

研究原子、分子和新材料的科学家，用光有点像摄影师用相机闪光灯——用极短、极强的光脉冲照亮研究对象。这些闪光来自自由电子激光器（FEL）。容纳这类装置的大型设施实验需求很高，研究人员常常要排很久的队。

如今，德国亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心（HZDR）和巴黎附近的SOLEIL同步辐射光源的研究人员，在一种紧凑型设计中攻克了可靠性难题，最终可能有助于满足这些需求。团队在《物理评论快报》上报告称，他们首次让激光等离子体FEL在高增益状态下稳定、可重复地运行。所谓高增益状态，就是它产生的光会被强烈放大。

等离子体在毫米尺度内加速电子

传统FEL要把电子加速到接近光速，所用设备可长达约两公里（1.2英里）。激光等离子体FEL则用等离子体给电子供能。等离子体是一种电子已从原子中剥离出来的气体。

SOLEIL同步辐射光源的Marie Labat博士说:“在激光等离子体FEL里，这个距离能缩短约一千倍，电子实际上是在等离子体波上冲浪。”

只需几毫米，电子就能获得传统机器里要加速许多米才能达到的能量。要让这一过程可靠，必须精确控制激光与等离子体之间的非线性相互作用——在这类相互作用中，调整参数并不会带来简单、成比例的变化。

团队用HZDR高性能DRACO激光器发出的红外脉冲，在毫米粗细的气流中制造等离子体。“我们设法把激光精确调谐到与等离子体匹配，”HZDR物理学家苏珊娜·舍贝尔博士说。

受控电子产生稳定的紫外闪光

电子被加速后进入波荡器——一组磁铁阵列，迫使电子沿蜿蜒路径前进。电子一边发光，一边与光相互作用，并聚集成微小束团，产生强烈而相干的闪光，光波彼此同相。

Schobel说：“多亏电子束控制得好，我们才能用波荡器稳定、可重复地产生强烈的紫外闪光。”

该系统产生了波长为272纳米、脉冲能量高的紫外脉冲，测量显示辐射输出功率呈指数增长，这是高增益运行的典型标志。

HZDR辐射物理研究所的Arie Irman博士说：“与我们2023年发表的结果相比，这是重大进展。”

Irman说：“稳定性——也就是闪光在数小时甚至数天内始终保持高质量——对所有涉及FEL的实验都极其重要。”传统大型设施早已做到这种稳定性，而团队花了多年研究，才让激光等离子体方案变得可靠。

极紫外光有望帮助检测芯片

研究人员计划进一步改进光脉冲，既要优化激光与等离子体的相互作用，也要优化电子穿过波荡器的路径。紧凑型激光等离子体FEL距离成为大型研究设施的补充还有好几年，团队也在努力产生波长更短的光。

Irman说：“这种紫外波长的闪光只是开始。”

他们的下一个目标是极紫外光（EUV），这有望更高效地支持对纳米结构计算机芯片进行质量控制。

相关链接：https://doi.org/10.1103/ndsf-kyr4