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自由電子激光可廣泛應用于結構生物、材料、化學等領域的前沿研究，但其龐大的規模和昂貴的造價又極大限制了它的進一步推廣和應用。7月22日，《自然》發表了中國科學院上海光學精密機械研究所等基于激光加速器的小型化自由電子激光研究方面取得的突破性進展，并以“Compact Source”為題把這項研究成果作為封面故事向讀者介紹。在論文發表之際，Nature portfolio的執行主編楊曉虹博士與共同通訊作者、張江實驗室主任、中國科學院院士李儒新和共同第一及共同通訊作者、中國科學院上海光學精密機械研究所研究員王文濤，進行了對話。  X射線自由電子激光（free-electron laser，FEL）對于結構生物學和化學等領域必不可少，它能以標準臺式激光器無法達到的頻率產生高強度的相干輻射束，但這需要利用昂貴的大型加速器得到高強度高能的電子束，因而這類裝置只在專門設施中使用。在本期《自然》中，王文濤和同事大幅減少了碳足跡，或使該技術更容易獲得，朝緊湊型FEL邁出了關鍵一步。研究團隊利用一個激光尾波場加速器（通過等離子體波加速電子）的電子束成功產生了相干輻射，將輻射功率提高了約100倍，這意味著在氣體噴流末端僅6毫米處就能實現電子產生激光的正確條件——比當前FEL的3000米左右縮短了數個量級。封面圖片：Julie Liu Q 楊曉虹：首先，熱烈祝賀這篇“十年磨一劍”的文章的正式發表！能否向我們的讀者解讀一下實現臺式化自由電子激光的重要性和這項最新工作的主要突破？ 李儒新：感謝！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于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，能極大地促進物理、化學、結構生物學、材料等多學科的發展。研制小型化、低成本的X射線自由電子激光對于拓展應用和產生變革型技術都是極其重要的。基于這點考慮，我們早在2011年就向國家自然科學基金委提出研制新一代臺式化自由電子激光裝置的構想，并獲得資助和開始研究。 王文濤：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，因而成為研制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，便成為了該領域科學家共同追求的前沿。近年來，激光尾波場加速已經取得許多重要進展，但是對于驅動自由電子激光而言，無論是電子束品質還是穩定性，都還面臨著諸多問題與挑戰，不斷提升電子束品質與穩定性、研制穩定高性能超強超短激光裝置和超高梯度激光電子加速器也是我們這些年的主要努力目標。通過設計特殊的等離子體密度分布結構，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（包括能散、發射度、電量等）得到有效的提升，這為我們基于等離子加速技術研制臺式化新型輻射源提供了保障。同時我們也結合了創新設計的緊湊型束流傳輸與輻射系統，在實驗上首次實現了基于激光加速器的自由電子激光放大輸出，典型激光波長27nm，最短激光波長可達10nm級，單脈沖能量可達100nJ級，國際率先完成了臺式化自由電子激光原理的實驗驗證，對于發展小型化、低成本自由電子激光器具有重大意義。 Q 楊曉虹：在研究和文章發表過程中有沒有讓您印象深刻的時刻？ 李儒新：我們這個工作是基于首批國家自然科學基金委重大儀器項目展開，在項目研制中期曾遭受過重大挫折，電子束無法穩定的傳輸到波蕩器中，幾乎可以宣告實驗失敗。這時候任何的決策都不能保證這個科學目標一定能完成。在經過方案論證之后，當時我果斷的做了對整個裝置不再修修補補，直接拆除重建的決定，這成為我們后續整個實驗研究的轉折點。 王文濤：當《自然》告知我們的封面被選中時，我們特別高興。這個封面的idea是團隊和上海科技大學的Julie Liu共同設計，然后由她來完成創作的，它描繪了激光驅動“空泡”從而加速“夢之束”逐夢新型臺式化自由電子激光的一種場景。 Q 楊曉虹：接下來還有些什么要克服的障礙，才能真正實現廣泛應用？ 王文濤：電子束的可靠性和重頻的不足仍然是阻礙激光尾波場電子加速進一步應用的主要問題。通過提高驅動激光和氣體噴流的穩定性，匹配適當的實驗參數和發展新的注入方案，我們可以穩定地產生高品質的電子束，并具備進一步優化的潛力，這對于提升輻射光子的能量和功率都是及其重要的。此外，我們還必須進一步發展針對飛秒尺度電子束的探測技術，主要包括尾波場探測和電子束的時空結構診斷等。最終通過實現激光尾波場電子加速器的閉環反饋和自動優化系統，將使這種緊湊型的自由電子激光光源實現并得到廣泛應用。 Q 楊曉虹：謝謝！也感謝研究團隊對我們的信任，如果對我們的期刊和工作等有什么建議，我們也隨時歡迎！
中科院上海光機所臺式化自由電子激光原理演示動畫 李儒新，中科院上海光機所博士，研究員，中國科學院院士，光學專家，主要從事超高峰值功率超短脈沖激光與強場激光物理研究。現任中國光學學會副理事長、美國光學學會會士、國際超高強度激光委員會委員。  王文濤，中科院上海光機所博士，研究員，主要從事激光尾波場電子加速和緊湊型輻射源的研究。在Nature，Physical Review Letters等期刊上發表論文50余篇。曾獲“2016年中國光學重要成果獎”、“2019年中科院青促會優秀會員”等榮譽。  楊曉虹（Helena）, 美國冷泉港實驗室與石溪大學共同培養博士，于2018年10月加入施普林格·自然集團（Springer Nature），目前擔任負責與大中華區學術與政府相關事務的副總裁及Nature portfolio的執行主編。她是Springer Nature出版委員會成員、公共政策領導小組成員及總編輯顧問組成員。  |
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