如果有一臺神奇相機，快門速度快到以飛秒計算(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是什么樣的？
答案：它能清楚地拍下水分子，能看到化學鍵的斷裂，甚至能記錄電子的運動。
(資料圖片)
在現實中，這種性能強大的“相機”是最先進的一類大科學裝置——X射線自由電子激光裝置，全球已建成8臺，包括位于上海張江的軟X射線自由電子激光裝置。
不過，它們都是長度在數百米至數公里的“大家伙”，為了實現普及，國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式化自由電子激光原理驗證的中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室團隊，相關成果2021年以封面形式發表在《自然》雜志，并在今年入選2021中國光學十大進展。
從構造看，自由電子激光裝置由加速器和波蕩器兩部分組成。簡單說，就是先讓電子在加速器里加速到接近光速，然后進入波蕩器，在波蕩器內做周期運動輻射出光。
“不論是從尺寸上，還是從關鍵技術上，加速器都更核心，也是縮小的主要目標。”團隊研究員王文濤說，自諾貝爾物理學獎誕生以來，一半以上的獲獎與加速器和輻射源的應用相關。
傳統方案是在加速器兩端加高壓，對低能電子進行加速。由于不能無限制加高壓來提升加速梯度，為了獲得高能，加速距離往往長到以公里計。直到2004年，被學界稱為“夢之束”的激光尾波場電子加速橫空出世，美法英等國科學家在實驗中取得激光尾波場電子加速突破，讓加速器具備了短到厘米量級的可能性。
“激光尾波場電子加速”可以形象地想象成電子在激光尾波中“沖浪”。王文濤用一項水上運動“尾波沖浪”打比方：運動員踏著帆板跟在快艇后，利用快艇排開水面形成的波浪沖浪，因為波浪速度與船速一致，運動員也會以接近船速的速度前進。
有趣的是，強激光在氣體中也能激發這種“波浪”，被捕獲的電子像運動員一樣隨著激光往前跑，在非常短的距離內接近光速。
“我們2012年立項，同美法德日等國展開研制臺式化自由電子激光的競爭。”王文濤說。
背靠中科院上海光機所在超強激光領域的技術優勢和實驗便利，團隊在2018年成功研制穩定臺式化激光電子加速器，標志我國在臺式化電子加速領域實現從實驗到儀器最為關鍵的轉變。
2021年，團隊在實驗上基于激光電子加速器獲得極紫外波段的自發輻射放大輸出，是國際上首次基于這種新型加速器實現小型化自由電子激光的原理驗證。《自然》雜志以封面形式發表該成果，評論稱：“該成果是激光尾波場領域自2004年‘夢之束’報道以來的又一里程碑式的成果，將對同行科研人員產生重大影響，是一項重大的突破。”
總長度18米，其中加速器不足2米，團隊目前成功將一個典型的自由電子激光結構縮小到1/20。
“它的特點就是臺式化，成本更低，易于推廣和普及，在更多研究領域發揮它作為最先進的工具的使命。”王文濤表示，目前，這一技術畢竟才發展了不到20年，它的性能與傳統的大科學裝置軟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，還有很長的路要走。
這一系列成果證明激光尾波場電子加速是可以用來做自由電子激光的，也使得小型化的電子加速器研究受到更多關注，或許會有更多大裝置逐漸變小，應用到醫院、學校等更多的科學研究領域。
記者采訪了解到，該裝置作為國家重大儀器專項的建設內容，目前已經開放運行了，北京航空航天大學、中國工程物理研究院等單位也依托該裝置開展合作研究。“近期，主要是裝置性能的進一步優化，專注于驅動光源穩定性和電子品質優化，包括我們想把波長從極紫外波段推進到X射線波段，從而拓展裝置的應用領域，再做大規模的開放運行。”王文濤說。
另外，團隊也在嘗試繼續縮小裝置的尺寸，比如未來可以通過束流壓縮技術進一步提升流強，將波蕩器輻射段的尺寸從現在的10米縮短到2米。
（文章來源：經濟參考報）
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