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我国科学家完成小型自由电子激光器原理实验验证

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发表于 2021-07-22 09:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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科技日报记者 陆成宽

光是我们认识世界的重要媒介。人类能看到的光在光谱上只是很窄的一段,在可见光之外,还存在着各种波长的电磁波。它们虽然不能直接帮我们用肉眼观察多彩的世界,但是它们各自都有着不可替代的用武之处,X射线就是其中的典型代表。

7月21日,《自然》以封面文章的形式报道我国科学家在小型化X射线自由电子激光研究中取得的突破性进展。来自中国科学院上海光学精密机械研究所的研究人员,通过显著提升激光尾波场加速的电子束品质,并结合创新设计的紧凑型束流传输与辐射系统,实验上首次实现了基于激光加速器的自由电子激光放大输出,典型激光波长27纳米,最短激光波长可达10纳米级,单脉冲能量可达100纳焦级。

“这项研究在国际上率先完成了台式化自由电子激光器原理的实验验证,对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。”中科院上海光机所研究员王文涛说。自由电子激光是一种全新的高亮度X射线光源,可用于探测物质内部动态结构和研究光与原子、分子和凝聚态物质的相互作用过程。

自由电子激光的出现极大地促进了表面物理、半导体物理、凝聚态物理、化学、结构生物学、医学、材料、能源、环境等多学科的发展。“研制小型化、低成本的X射线自由电子激光器成为其重要的发展方向,对于拓展应用和产生变革型技术都是极其重要的。”王文涛强调。

超强超短激光驱动的尾波场电子加速机制,可以提供比射频电子加速器高3个数量级以上的超高加速梯度,因而成为研制小型化高能电子加速器的主要技术路线。

自2004年美、法、英等国科学家首次在实验上取得激光尾波场电子加速的突破以来,利用激光尾波场加速器驱动的小型化自由电子激光器,特别是X射线波段的自由电子激光器,便成为该领域科学家共同追求的前沿。

王文涛介绍,激光尾波场加速近年来已经取得许多重要进展,但是对于驱动自由电子激光而言,无论是电子束品质还是稳定性,都还面临着诸多问题与挑战,相关的研究还处于起步阶段。多年来,上海光机所研究团队一直致力于激光加速电子束品质与稳定性的提升。功夫不负有心人,研究团队最终成功首次在实验上观测到极紫外波段的辐射信号,典型的辐射波长27纳米,单脉冲辐射能量最高可达150纳焦,并通过轨道偏移以及自发辐射定标等方法证明了最后一段波荡器中能量增益高达100倍。

“这是国际上首次实现基于激光电子加速器的极紫外线波段的自发辐射放大输出。”王文涛强调。对于这项工作,同行专家给予了高度评价,“该成果是激光尾波场领域自2004年《自然》‘梦之束’报道以来的又一里程碑式的成果……科学成就是突出的,这是毫无疑问的……这个里程碑将为新的应用创造新的可能……”“……作者的工作是一流的,让最广泛的相关读者可以欣赏实验研究团队所取得的重大成就,我对在一个重要的新兴领域的里程碑——基于等离子体加速技术的小型自由电子激光器的实现表示祝贺……”

研究团队未来将进一步提升自由电子激光的输出功率和光子能量,并将这项研究成果作为上海超强超短激光实验装置(“羲和”激光装置)中超快化学与大分子动力学研究平台的重要组成部分,提供开放共享。


http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2021-07/21/content_1200318.shtml
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 楼主| 发表于 2021-07-22 10:57 | 显示全部楼层

RE: 我国科学家完成小型自由电子激光器原理实验验证

【文汇报】光子科学大装置“台式机”梦想迈出关键一步

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科研人员在调试激光加速器的光源。许琦敏摄  

  动辄投资数亿元、长达几百米到数公里的粒子加速器装置,未来可能只需一间房就能容纳,甚至还会变成“台式机”。这是全球物理学家的梦想,而它的实现需要一场从粒子“起跑线”开始的变革。

  最近,中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室就将向着这一“梦想”迈出关键一步。今天凌晨,国际顶尖学术期刊《自然》杂志以封面文章的形式发表上海科学家的最新成果——在国际上率先完成了台式化自由电子激光装置原理的实验验证。

  让电子加速“长跑”变“短跑”

  提到加速器,无论是欧洲的大型强子对撞机,还是上海的软X射线自由电子激光装置等,都给人以庞然大物的印象。

  “目前,全球已经建成并在运营的X射线自由电子激光装置,一共只有八个,几乎每个装置的实验机时都供不应求。”中科院上海光机所副所长、强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣说,造价高昂、占地面积大,使很多国家的科学家想用却造不起。

  能否将此类科学大装置变成低成本的“小装置”?如果可以实现,不仅科学家做实验将更方便,而且在工业和医疗领域也有望得到更广泛的应用。

  本世纪初,发达国家开始了X射线自由电子激光装置的小型化探索。2012年,中科院上海光机所研究团队在国家自然科学基金委重大仪器专项的支持下,从在集装箱里搭建临时数据收集装置开始,向“台式机”的研制发起挑战。

  项目主要完成人、中科院上海光机所研究员王文涛解释,传统X射线自由电子激光装置体积庞大,主要是因为射频电子加速器要让电子跑过很长的“跑道”,才能达到足够高的能量,而用超强超短激光来加速电子,效率是射频电子加速器的千倍以上,因此能将公里级“长跑”变成十几米“短跑”,从而大大缩小装置规模。

  从奋战300天到3000天,最终实现“国际率先”

  在位于嘉定的中科院上海光机所实验室,记者看到,从电子加速腔到波荡器,这套装置长度仅约12米,但它的电子加速器部分只有一个1米见方的腔体。

  就在这个箱子里,一束超强超短激光穿过一团等离子体,就像一艘快艇激起的尾浪,将一部分电子裹挟而去,这些电子可在瞬间获得超高能量,这就是超强超短激光驱动的尾波场电子加速机制。

  2004年,美、法、英等国科学家首次通过实验证实该机制的确能够获得高能电子束,论文发表在《自然》杂志上,被称为“梦之束”。“我们通过近十年的努力,终于在国际上率先验证了该方法不仅能够获得高品质的高能电子束,而且还能产生出自由电子激光,从而成为科学家探索未知世界的利器。”

  国际同行高度评价该工作是激光尾波场领域“自‘梦之束’报道以来的又一里程碑式的成果”,“是一项重大的技术突破”。

  “当时我们的口号是‘加班奋战300天,不见出光誓不还’,没想到实验做了3000多天,才最终得到了今天的结果。”王文涛说,在中科院上海光机所徐至展院士和李儒新院士的带领下,前后有二三十位年轻人投身该领域,将“冷板凳”坐“热”。未来,研究团队将进一步提升自由电子激光的输出功率和光子能量,并将其作为“羲和”实验装置中超快化学与大分子动力学研究平台的重要组成部分,提供开放共享。

http://www.cas.cn/cm/202107/t20210722_4799464.shtml
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 楼主| 发表于 2021-07-22 11:29 | 显示全部楼层
真不容易,咱们的科研人员坐了十年板凳才研究出这个世界独有的实验装置,可以傲视群雄了!
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发表于 2021-07-22 11:57 | 显示全部楼层
干啥用的啊?
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 楼主| 发表于 2021-07-22 12:02 | 显示全部楼层

RE: 我国科学家完成小型自由电子激光器原理实验验证


可用于表面物理、半导体物理、凝聚态物理、化学、结构生物学、医学、材料、能源、环境等领域,这个是桌面型的装置,这项成果问世前要建一个这种装置需要很大的占地面积,花不少的时间和人财物!
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CDer:000026620
发表于 2021-07-22 14:39 | 显示全部楼层
能持续输出极紫外光不,用于EUV光刻机?
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发表于 2021-07-22 15:08 | 显示全部楼层
这种小型化激光装置有广泛的应用空间
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发表于 2021-07-22 16:15 | 显示全部楼层

RE: 我国科学家完成小型自由电子激光器原理实验验证

英勇无畏 发表于 2021-07-22 12:02
可用于表面物理、半导体物理、凝聚态物理、化学、结构生物学、医学、材料、能源、环境等领域,这个是桌面 ...

哈~~~感觉很厉害的样子~~~
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