如果有一臺(tái)神奇相機(jī)，快門(mén)速度快到以飛秒計(jì)算(1秒=10的15次方飛秒)，分辨率清晰到0.1納米，并且具有充足的曝光亮度，那么用它拍出的照片會(huì)是什么樣的？
答案：它能清楚地拍下水分子，能看到化學(xué)鍵的斷裂，甚至能記錄電子的運(yùn)動(dòng)。
(資料圖片)
在現(xiàn)實(shí)中，這種性能強(qiáng)大的“相機(jī)”是最先進(jìn)的一類(lèi)大科學(xué)裝置——X射線自由電子激光裝置，全球已建成8臺(tái)，包括位于上海張江的軟X射線自由電子激光裝置。
不過(guò)，它們都是長(zhǎng)度在數(shù)百米至數(shù)公里的“大家伙”，為了實(shí)現(xiàn)普及，國(guó)際上一直在努力讓該裝置小型化。近日，記者采訪到率先完成臺(tái)式化自由電子激光原理驗(yàn)證的中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)，相關(guān)成果2021年以封面形式發(fā)表在《自然》雜志，并在今年入選2021中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展。
從構(gòu)造看，自由電子激光裝置由加速器和波蕩器兩部分組成。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是先讓電子在加速器里加速到接近光速，然后進(jìn)入波蕩器，在波蕩器內(nèi)做周期運(yùn)動(dòng)輻射出光。
“不論是從尺寸上，還是從關(guān)鍵技術(shù)上，加速器都更核心，也是縮小的主要目標(biāo)?！眻F(tuán)隊(duì)研究員王文濤說(shuō)，自諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)Q生以來(lái)，一半以上的獲獎(jiǎng)與加速器和輻射源的應(yīng)用相關(guān)。
傳統(tǒng)方案是在加速器兩端加高壓，對(duì)低能電子進(jìn)行加速。由于不能無(wú)限制加高壓來(lái)提升加速梯度，為了獲得高能，加速距離往往長(zhǎng)到以公里計(jì)。直到2004年，被學(xué)界稱為“夢(mèng)之束”的激光尾波場(chǎng)電子加速橫空出世，美法英等國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中取得激光尾波場(chǎng)電子加速突破，讓加速器具備了短到厘米量級(jí)的可能性。
“激光尾波場(chǎng)電子加速”可以形象地想象成電子在激光尾波中“沖浪”。王文濤用一項(xiàng)水上運(yùn)動(dòng)“尾波沖浪”打比方：運(yùn)動(dòng)員踏著帆板跟在快艇后，利用快艇排開(kāi)水面形成的波浪沖浪，因?yàn)椴ɡ怂俣扰c船速一致，運(yùn)動(dòng)員也會(huì)以接近船速的速度前進(jìn)。
有趣的是，強(qiáng)激光在氣體中也能激發(fā)這種“波浪”，被捕獲的電子像運(yùn)動(dòng)員一樣隨著激光往前跑，在非常短的距離內(nèi)接近光速。
“我們2012年立項(xiàng)，同美法德日等國(guó)展開(kāi)研制臺(tái)式化自由電子激光的競(jìng)爭(zhēng)?！蓖跷臐f(shuō)。
背靠中科院上海光機(jī)所在超強(qiáng)激光領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和實(shí)驗(yàn)便利，團(tuán)隊(duì)在2018年成功研制穩(wěn)定臺(tái)式化激光電子加速器，標(biāo)志我國(guó)在臺(tái)式化電子加速領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從實(shí)驗(yàn)到儀器最為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變。
2021年，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上基于激光電子加速器獲得極紫外波段的自發(fā)輻射放大輸出，是國(guó)際上首次基于這種新型加速器實(shí)現(xiàn)小型化自由電子激光的原理驗(yàn)證。《自然》雜志以封面形式發(fā)表該成果，評(píng)論稱：“該成果是激光尾波場(chǎng)領(lǐng)域自2004年‘夢(mèng)之束’報(bào)道以來(lái)的又一里程碑式的成果，將對(duì)同行科研人員產(chǎn)生重大影響，是一項(xiàng)重大的突破?！?/p>
總長(zhǎng)度18米，其中加速器不足2米，團(tuán)隊(duì)目前成功將一個(gè)典型的自由電子激光結(jié)構(gòu)縮小到1/20。
“它的特點(diǎn)就是臺(tái)式化，成本更低，易于推廣和普及，在更多研究領(lǐng)域發(fā)揮它作為最先進(jìn)的工具的使命?！蓖跷臐硎?，目前，這一技術(shù)畢竟才發(fā)展了不到20年，它的性能與傳統(tǒng)的大科學(xué)裝置軟X射線自由電子激光裝置和硬X射線自由電子激光裝置相比還有不小的差距，還有很長(zhǎng)的路要走。
這一系列成果證明激光尾波場(chǎng)電子加速是可以用來(lái)做自由電子激光的，也使得小型化的電子加速器研究受到更多關(guān)注，或許會(huì)有更多大裝置逐漸變小，應(yīng)用到醫(yī)院、學(xué)校等更多的科學(xué)研究領(lǐng)域。
記者采訪了解到，該裝置作為國(guó)家重大儀器專項(xiàng)的建設(shè)內(nèi)容，目前已經(jīng)開(kāi)放運(yùn)行了，北京航空航天大學(xué)、中國(guó)工程物理研究院等單位也依托該裝置開(kāi)展合作研究?！敖?，主要是裝置性能的進(jìn)一步優(yōu)化，專注于驅(qū)動(dòng)光源穩(wěn)定性和電子品質(zhì)優(yōu)化，包括我們想把波長(zhǎng)從極紫外波段推進(jìn)到X射線波段，從而拓展裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，再做大規(guī)模的開(kāi)放運(yùn)行。”王文濤說(shuō)。
另外，團(tuán)隊(duì)也在嘗試?yán)^續(xù)縮小裝置的尺寸，比如未來(lái)可以通過(guò)束流壓縮技術(shù)進(jìn)一步提升流強(qiáng)，將波蕩器輻射段的尺寸從現(xiàn)在的10米縮短到2米。
（文章來(lái)源：經(jīng)濟(jì)參考報(bào)）
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