自由電子激光具備超快時(shí)間分辨、超高空間分辨和超強(qiáng)峰值亮度等特點(diǎn)，是目前最先進(jìn)的研究工具之一，促進(jìn)了生命科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。國際上，已先后有8臺(tái)X射線自由電子激光裝置建成，并投入用戶科學(xué)實(shí)驗(yàn)。作為新一代光源，與同步輻射光源不同的是，自由電子激光放大來自于電磁波和相對(duì)論電子束在波蕩器磁場(chǎng)中持續(xù)的相互作用，其中波蕩器是一種由成千上萬的二極磁場(chǎng)組合成周期性正弦磁場(chǎng)的發(fā)光元件。
■激光和電子束在二極磁鐵中的相互作用示意圖
自由電子激光包括能量調(diào)制、電子束微群聚和功率放大三個(gè)關(guān)鍵物理過程。自由電子激光的基本物理過程是：電磁波和電子束之間相互作用導(dǎo)致電子束的能量調(diào)制；而能量調(diào)制會(huì)使電子束團(tuán)在輻射波長尺度內(nèi)形成空間密度調(diào)制，又稱微群聚；電子束微群聚會(huì)增強(qiáng)自由電子激光功率增長；而放大的自由電子激光功率又進(jìn)一步增強(qiáng)和加快電子束微群聚的過程。
這個(gè)正反饋機(jī)制是目前所有自由電子激光的物理基礎(chǔ)。以往的自由電子激光裝置中，能量調(diào)制、電子束微群聚和功率放大，均是在至少積累一段波蕩器效果后才能實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到。自由電子激光在一個(gè)波蕩器周期內(nèi)的物理本質(zhì)，即電磁波和電子束在二極磁場(chǎng)中的能量交換仍缺乏直接測(cè)量。
2010年，上海光源中心自由電子激光團(tuán)隊(duì)提出了在單個(gè)二極磁鐵中觀測(cè)自由電子激光基本過程的實(shí)驗(yàn)可行性和相關(guān)方案（Nucl. Instr. and Meth. A 622, 508）。2021年，上海光源中心自由電子激光團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)證明了激光和相對(duì)論電子束在單個(gè)二極磁鐵中的相互作用。基于上海軟X射線自由電子激光裝置，在單塊二極磁鐵中，一束266納米波長的激光被用于調(diào)制800兆電子伏特能量的電子束，下游的X波段橫向偏轉(zhuǎn)腔直接觀察到激光對(duì)電子束相空間的調(diào)制，精確測(cè)量表明電子束能量調(diào)制的幅度為40千電子伏特。
■二極磁鐵中激光-束流相互作用的實(shí)驗(yàn)表征（a）與激光相互作用后電子束的縱向相空間，紅色虛線代表電子束的中心能量，橙色框中包含了因相互作用而改變的區(qū)域；（b）在不同的激光脈沖能量下，電子束通過第一個(gè)色散段后測(cè)量到的相干輻射強(qiáng)度及相應(yīng)的擬合曲線；（c）使用相干輻射產(chǎn)生方法來計(jì)算能量調(diào)制幅度及電子束團(tuán)的切片能散
實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，二極磁鐵中獲得的能量調(diào)制可用于驅(qū)動(dòng)外種子型自由電子激光，科研人員利用二極磁鐵中的能量調(diào)制、結(jié)合原創(chuàng)的能量調(diào)制的自放大機(jī)制（Phys. Rev. Lett., 126, 084801），實(shí)現(xiàn)了種子激光的6次諧波，即44納米自由電子激光放大出光。
該研究完成了探索自由電子激光物理本質(zhì)的一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)測(cè)量，揭示了自由電子激光基本的物理過程，為探究和利用激光與電子束的相互作用開辟了新方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明一塊簡(jiǎn)單的二極磁鐵可作為引入電子束能量調(diào)制的有效工具，這為開發(fā)新型的激光加熱系統(tǒng)、適用于等離子體尾波場(chǎng)加速器束流的能量調(diào)制，以及未來相干光源的新型波蕩器開辟了新道路。
7月29日，相關(guān)研究成果以First observation of laser-beam interaction in a dipole magnet為題，以研究快報(bào)的形式發(fā)表在Advanced Photonics上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院和上海市的支持。
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