上海光源中心實驗揭示自由電子激光的物理過程

　　自由電子激光具備超快時間分辨、超高空間分辨和超強峰值亮度等特點，是目前最先進的研究工具之一，促進了生命科學、化學、物理學和材料科學等領域的發展。國際上，已先后有8臺X射線自由電子激光裝置建成，并投入用戶科學實驗。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論電子束在波蕩器磁場中持續的相互作用，其中波蕩器是一種由成千上萬的二極磁場組合成周期性正弦磁場的發光元件。

　　自由電子激光包括能量調制、電子束微群聚和功率放大三個關鍵物理過程。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致電子束的能量調制；而能量調制會使電子束團在輻射波長尺度內形成空間密度調制，又稱微群聚；電子束微群聚會增強自由電子激光功率增長；而放大的自由電子激光功率又進一步增強和加快電子束微群聚的過程。這個正反饋機制是目前所有自由電子激光的物理基礎。以往的自由電子激光裝置中，能量調制、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驗觀測到。自由電子激光在一個波蕩器周期內的物理本質，即電磁波和電子束在二極磁場中的能量交換仍缺乏直接測量。

　　2010年，上海光源中心自由電子激光團隊提出了在單個二極磁鐵中觀測自由電子激光基本過程的實驗可行性和相關方案（Nucl. Instr. and Meth. A 622, 508）。2021年，上海光源中心自由電子激光團隊實驗證明了激光和相對論電子束在單個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制800兆電子伏特能量的電子束，下游的X波段橫向偏轉腔直接觀察到激光對電子束相空間的調制，精確測量表明電子束能量調制的幅度為40千電子伏特。實驗進一步證明，二極磁鐵中獲得的能量調制可用于驅動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制、結合原創的能量調制的自放大機制（Phys. Rev. Lett., 126, 084801），實現了種子激光的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的一項重要實驗測量，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。實驗結果證明一塊簡單的二極磁鐵可作為引入電子束能量調制的有效工具，這為開發新型的激光加熱系統、適用于等離子體尾波場加速器束流的能量調制，以及未來相干光源的新型波蕩器開辟了新道路。

　　7月29日，相關研究成果以First observation of laser-beam interaction in a dipole magnet為題，以研究快報的形式發表在Advanced Photonics上。研究工作得到國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃、中科院和上海市的支持。

　　圖1 激光和電子束在二極磁鐵中的相互作用示意圖

　　圖2 二極磁鐵中激光-束流相互作用的實驗表征。（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域；（b）在不同的激光脈沖能量下，電子束通過第一個色散段后測量到的相干輻射強度及相應的擬合曲線；（c）使用相干輻射產生方法來計算能量調制幅度及電子束團的切片能散