大阪大学产业科学研究所的细贝知直教授（国立研究开发法人理化学研究所团队负责人）、QST（国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构）关西光量子科学研究所的神门正城所长、KEK（大学共同利用机关法人高能量加速器研究机构）物质结构科学研究所的山本树名誉教授等人组成的研究团队，利用激光尾场加速（LWFA）生成的电子束，成功实现了极紫外（XUV）波段的自由电子激光（FEL）振荡。细贝教授表示：“我从1998年起参与本研究，等离子体控制技术逐步确立，现在终于获得了堪比加速器水平的电子束。”相关成果已发表在《Physical Review Research》上。
图1：基于LWFA电子束的XUV自由电子激光验证实验示意图
上游激光装置产生的超强超短激光脉冲聚焦到超音速气体喷流靶时，生成等离子体。在等离子体中被激发的等离子体波（激光尾场）能够捕获并加速电子从而产生高能电子束。该电子束通过电子输运线进入下游的波荡器，并在周期磁场的作用下进行蛇形振荡运动发射出XUV波段的自由电子激光。（供图：大阪大学 产业科学研究所）
XFEL是一种极强的光源，能够以飞秒级的超短脉冲，产生亮度相当于太阳100亿倍的高亮度相干X射线。由于该技术能够像播放动画一样观测原子、分子的结构变化，因此成为原子排列观测、下一代半导体材料精细结构解析、化学反应及生命分子超高速动力学测量等世界前沿研究中不可或缺的基础设备。然而，XFEL需要高能量、高品质的电子束，因此必须配备长达数百米高能加速器的大型设施。
受到关注的是通过照射高强度激光产生等离子体，并在等离子体中实现电子加速的LWFA。LWFA有望让加速器实现跨越式小型化，但另一方面，等离子体的控制难度较大，生成的电子束品质存在较大波动，因此一直未能实现对电子束稳定性和品质要求极高的FEL，乃至XFEL的振荡。
此次，研究团队抑制了激光脉冲的波面畸变，提升了作为等离子体源的超音速气体喷流靶的稳定性。此外，还研发出对其内部结构进行精密控制的技术，成功将电子束的品质和稳定性提升至可实现XUV波段FEL振荡的水平。
研究团队攻克了多项技术难题，比如通过空间滤波器滤除激光脉冲的边缘部分，仅采用平面度高的中心部分，提升了激光的聚光精度。这一做法实现了等离子体生成的稳定性，从而大幅降低了电子束点的抖动，在提升电子束稳定性的同时，也改善了其单色性。
QST的中新信彦主干研究员表示：“这是一次偶然的发现。最初我们为了其他用途，尝试放置小型光阑来缩小光束尺寸，结果发现电子束性能得到了大幅改善，还发现可通过移动光阑实现对电子束的调控，于是便将这一方法纳入了研究中。”
此外，团队还设计了使气流均匀化的内部整流结构，实现了比以往稳定性、重现性更高的超音速气体喷流靶。同时，新开发出一种利用冲击波在气体靶内部稳定形成陡峭阶梯状密度结构的方法，成功生成了FEL振荡所需的高单色性电子束。
通过将这些改良后获得的高品质、高稳定性LWFA电子束输入波荡器，研究团队确认在XUV（波长27～50纳米）波段，辐射光强度相较于自发辐射最大放大约20倍（FEL振荡）。此外，通过加装抵消磁体间强磁场吸引力的斥力磁体，大幅实现了波荡器的小型化和轻量化，并成功缩小了FEL发生部分的尺寸。这明确地展示了未来实现台式FEL系统的可能性。
本次研究成果实证了利用LWFA电子束实现FEL振荡的可行性，为大学及研究室层面也可引入的小型X射线·XUV相干光源的实现开辟了道路。同时，这标志着LWFA技术正迈向接近实用化水平的高品质电子束加速器，是一项极具重要意义的里程碑。未来有望实现台式XFEL，或许终将迎来能在众多实验室中普及使用的一天。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Physical Review Research
论文：Optimized Laser Wakefield Acceleration: Generating Stable, High-Energy, Monoenergetic Electron Beams and Demonstrating Extreme-Ultraviolet Free Electron Lasers
DOI：https://doi.org/10.1103/qvg7-ng8n
