小型化自由电子激光获重大原创进展

近日，中科院上海光机所激光物理国家重点实验室徐至展、李儒新、刘建胜等在极强非同激光驱动的小型化自由电子激光新概念研究方面获得根本性原创进展，明确提出并构建了一种微型、瞬态的波荡器方案。研究人员利用极强非同激光与金属丝相互作用，在产生高能电子束的同时，精妙地利用电荷分离出来效应建构了微型、瞬态的电子波荡器，并基于该全新波荡器方案取得了非线性缩放的强劲THz电磁辐射输入。这一近期研究成果2月27日在线公开发表于《大自然—光子学》(NaturePhotonics)。

自由电子激光被称作第四代光源，可以获取从远红外到X射线波段的高亮度相干性电磁辐射，在物理、化学、材料科学、生命科学等领域具备前所未有的革命性应用于价值。传统的自由电子激光基于射频加速器产生高能电子束，再行利用周期性化学键的磁铁包含的波荡器对电子束展开扭摆与调制，最后电磁辐射出有高亮度相干性电磁辐射。

无论是射频电子加速器或由周期性磁铁包含的电子波荡器都是体积可观，耗资便宜。发展小型化、低成本的新一代自由电子激光，还包括台式简化的电子加速器和波荡器是科学界仍然梦寐以求追赶的根本性目标。上海光机所强场激光物理国家重点实验室在极强非同激光驱动的台式化高能电子加速器和波荡器新的原理、新概念研究方面展开了长期不懈的探寻。

时隔2016年在极强非同激光驱动的激光尾波场电子加快取得创纪录高亮度高品质电子束重大成果之后，该研究团队又在极强非同激光驱动的微型、瞬态的波荡器新概念研究方面获得根本性原创突破，首次顺利建构了全光驱动的金属丝波导螺旋波荡器并构建了缩放的强劲THz电磁辐射输入。在这项工作中，研究人员利用一束极强非同激光电离辐射金属丝靶，通过激光与等离子体相互作用产生定向的高能电子升空，同时基于电荷分离出来在金属丝上瞬间产生一个极强的径向瞬态电场；该电场制导沿金属丝方向附近升空的大量高能电子沿金属丝传输并展开周期性的螺旋运动―相等于电子束在一微型波荡器中的螺旋运动。这种运动产生了强THz电磁辐射，切换效率超过1%以上。

实验中，电子束能量~100keV,瞬态波荡器周期大约650微米；通过转变金属丝的直径可以转变径向电场强度，从而转变波荡器周期，取得了频率可回声的近单周期宽带THz电磁辐射；通过转变金属丝的长度，首次观测到了THz辐射强度随传输距离的非线性缩放效应，缩放倍数超过10倍以上。这种强劲THz辐射源未来将会在材料的观测研究方面取得最重要的应用于。该项研究中电子束和波荡器都是由同一束激光同时产生，这种波荡器新概念未来将会更进一步扩展，在短波长甚至X射线自由电子激光等领域获得最重要应用于。

论文审稿人高度评价了这一成果，认为“该论文叙述了一种产生高能准单周期THz脉冲的新方法。这一概念令人惊叹，是产生THz的一个最重要并高效的新方法。”“该论文不仅阐述了实验产生的THz电磁辐射序与金属丝直径的依赖性，而且也阐述了THz电磁辐射的起因。该文将不会更有还包括激光器、电动力学（THz波）、电子束、波荡器及自由电子激光等领域研究者的兴趣”。

据报，在这项研究中，南开大学刘伟伟等为THz电磁辐射的测量获取了先进设备的测试仪器并合作积极开展了涉及实验。

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