從中國科學院上海光學精密機械研究所獲悉，該所強場激光物理國家重點實驗室利用自行研製的具有國際領先綜合性能的超強超短激光裝置，在基於激光加速器的小型化自由電子激光研究方面取得突破性進展。22日，相關研究成果作為封面文章發表於《自然》（Nature）雜誌。

自由電子激光是實現X射線波段高亮度相干光源的迄今最佳技術途徑，X射線自由電子激光可用於探測物質內部動態結構和研究光與原子、分子和凝聚態物質的相互作用過程，極大促進物理、化學、結構生物學、醫學、材料、能源、環境等多學科發展。研製小型化、低成本的X射線自由電子激光，成為其重要的發展方向，對於拓展應用和產生變革型技術都極其重要。

記者了解到，該研究團隊通過顯著提升激光尾波場加速的電子束品質，並結合創新設計的緊湊型束流傳輸與輻射系統，實驗上首次實現了基於激光加速器的自由電子激光放大輸出，典型激光波長27納米，最短激光波長可達10納米級，單脈衝能量可達100納焦級，在國際上率先完成台式化自由電子激光原理的實驗驗證，這對於發展小型化、低成本自由電子激光器具有重大意義。

“該成果是激光尾波場領域又一里程碑式的成果，將為新應用創造新可能。”業內專家對此給予高度評價。

超強超短激光驅動的尾波場電子加速機制，可以提供比射頻電子加速器高三個數量級以上的超高加速梯度，因而成為研製小型化高能電子加速器的主要技術路線。國際上自2004年首次在實驗上取得激光尾波場電子加速的突破以來，利用激光尾波場加速器驅動的小型化自由電子激光，特別是X射線波段的自由電子激光，成為該領域科學家共同追求的前沿。近年來，激光尾波場加速已取得諸多重要進展，但是對於驅動自由電子激光而言，無論是電子束品質還是穩定性，都面臨挑戰，相關研究處於起步階段。

多年來，中國科學院上海光學精密機械研究所團隊致力於激光加速電子束品質與穩定性提升，通過設計特殊的等離子體密度分佈結構，優化控制電子束的注入過程與加速過程，使得電子束綜合品質得到有效提升。未來，研究團隊將進一步提升自由電子激光的輸出功率和光子能量，並作為上海超強超短激光實驗裝置（“羲和”激光裝置）中超快化學與大分子動力學研究平台的重要組成部分，提供開放共享。