自由電子雷射器  雷射技術新里程碑

自由電子雷射器(FEL)通過將加速至接近光速的電子束轉化為光子能量來產生高亮度的雷射脈衝。而XFEL是針對X射線波長的自由電子發射器，光子在每個波盪器周期內會與電子相互作用，使得電子束密度被自發輻射周期性地調控，並在足夠長的波盪器內形成微聚束。微聚束又反過來放大某些特定能量的光子，從而加強自發輻射形成正反饋放大直到系統進入飽和狀態。XFEL能幫助我們在解析各種領域中材料的原子結構或原子尺度的超快過程。

然而這些XFEL都有一些共同的缺點，像是體積過大，成本昂貴，如何改善這些缺點成了首要的課題。HZDR 輻射物理研究所所長Ulrich Schramm教授說:「我們正研究一種仍在開發中的新加速器技術—雷射等離子體加速，改善這些問題。」其原理是使用高功率光束，將短時超強光發射到等離子體中，光脈衝會在其中產生強烈的交流電磁波，軌跡類似船的尾波。這種電磁波能在短距離內將電子大幅加速，原則上，這可以將100米長的加速器縮短成不到1米。

為了產生等離子體加速驅動的可控FEL光束，HZDR與SOLEIL的專家合作。他們在德國Dresdon安裝了一個由高功率光束DRACO驅動的等離子體加速器，它能提供高質量高速的電子束。研究團隊也隨後構建了一個波盪器，其針對電子束傳輸方法、輻射的產生、種子生成、塑形都進行了優化。而為了在紫外線波長範圍內產生FEL雷射，研究人員必須生產出含有大量電子的粒子束，並且這些電子得盡可能的保有相等能量。

最終，研究團隊通過一種稱為—等離子透鏡的改進方式，以及部署一種稱為播種(Seeding)的方法，他們將外部雷射脈衝與電子束同步射入波盪器，此舉可以提高FEL雷射光的質量進而達到加速FEL的過程。

通過這種裝置，該團隊終於實現等離子體驅動的FEL產生的超短紫外雷射光束，一個15年來在該領域只存在於夢想中的自由電子雷射器。儘管成果達到了一個重要的里程碑，在等離子體的FEL投入實際使用時仍有各種挑戰需要克服。像是雖然裝置能產生紫外線脈衝，電子仍需被加速到更高能量，以達到研究所需的高強度X射線閃光，

「目前為止，電子束的質量對於XFEL仍然太差且不穩定，但透過新一代高功率雷射器，我們希望能解決這個問題。」研究人員說道。若這項努力取得成功，FEL未來將可以安裝在地下室中，提供給更多的研究團隊使用。（編譯／高晟鈞）

資料來源:PHYS.ORG

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