澳门新葡萄京官网注册我国小型化自由电子激光新概念研究获进展

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国家自然科学基金委员会组织专家对“新一代超强超短激光综合实验装置”项目进行验收。该项目是由中国科学院上海光学精密机械研究所承担的国家重大科研仪器研制项目(部门推荐)。  新一代超强超短激光综合实验装置以探索解决相位空间超高密度高能电子激光加速中的重大科学技术问题,发展超强超短激光驱动的台式化、短脉冲X
射线波段自由电子激光器(XFEL)战略高技术,开拓高强度阿秒相干X
射线科学和中红外新波段强场物理新领域等为科学目标。该装置将基于激光尾波场加速器实现台式化XFEL
输出的原理验证。该装置由高性能重复频率百太瓦级超强超短激光系统、中红外新波段可调谐超强超短激光系统、激光尾波场电子加速与台式化X
射线波段自由电子激光(XFEL)系统、高次谐波XUV相干光源系统等四个系统组成。  12月23日项目技术测试专家组、财务验收专家组和档案验收专家组分别进行了项目验收技术指标的现场测试、财务验收和档案验收。24日举行了项目验收会。验收专家组由19位技术、财务、档案专家组成,中国科学院院士张杰任组长、中国科学院院士杨学明任副组长。国家自然科学基金委员会副主任谢心澄、中国科学院条件保障与财务局局长郑晓年等领导,上海光机所副所长冷雨欣等项目组成员出席验收会。会议由基金委数学物理科学部董常务副主任国轩、张杰共同主持。验收专家组听取了项目负责人李儒新所作的项目完成情况汇报、项目监理组监理汇报、技术测试专家组测试汇报、财务验收专家组财务验收汇报、档案审查专家组档案审查汇报,并现场考察了研制仪器设备。  验收专家组经过投票,一致同意该项目通过验收。项目验收专家组表示,项目组全面完成了项目的研制任务,达到了预期指标。首次观察到基于激光加速的自由电子激光辐射非线性放大效应,并在激光尾波场电子加速、中红外新波段超强超短激光、激光驱动高次谐波产生等研究中取得了国际领先水平成果。验收专家组建议尽快落实平台的运行模式和经费保障,建立稳定的技术支撑队伍,实现开放共享,做好用户服务。  上海光机所所长邵建达,党委书记、副所长陈卫标,党委副书记李燕等代表项目承担单位参加项目测试会和验收会。

日前,中科院上海光机所在超强超短激光驱动尾波场加速产生电子束研究中取得突破性进展。中科院院士徐至展、研究员李儒新带领团队,实验获得了高品质的高能电子束,电子束六维相空间亮度远高于目前国际上报道的同类研究结果,在国际上首次接近了最先进的电子加速器所能获得的电子束亮度。

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当我们说到粒子加速器时,往往联想到一些大型对撞机。目前世界上最大的粒子加速器是发现上帝粒子的欧洲大型强子对撞机,总长26.649公里。这一类大型对撞机造价高达几亿甚至几十亿美元。因而,成本低廉、体积更小、突破传统加速梯度的粒子加速器成为近年来高能物理界一个重要的研究方向。人们期待着新一代粒子加速器改变其庞然大物的形象,成为科学家普遍拥有的实验装置,并在医疗、材料无损探测等方面发挥应用潜力。

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徐至展、李儒新、刘建胜等在超强超短激光驱动的小型化自由电子激光新概念研究方面取得重要进展,提出并实现了一种微型、瞬态的波荡器方案。研究人员利用超强超短激光与金属丝相互作用,在产生高能电子束的同时,巧妙地利用电荷分离效应构建了微型、瞬态的电子波荡器,并基于该全新波荡器方案获得了非线性放大的强THz辐射输出。

超强超短激光驱动尾波场电子加速正是一种全新的电子加速机制,其加速梯度相比于传统射频加速器提高了3个量级以上。比如,它能够在不到1米的距离内把电子加速到传统加速器通过1公里的加速距离才能获得的能量,能够极大地降低加速器的规模和成本。这对未来的同步辐射装置、自由电子激光以及高能物理研究等都将带来深远的影响。

自由电子激光被称为第四代光源,可以提供从远红外到X射线波段的高亮度相干辐射,在物理、化学、材料科学、生命科学等领域具有前所未有的革命性应用价值。传统的自由电子激光基于射频加速器产生高能电子束,再利用周期性排布的磁铁构成的波荡器对电子束进行扭摆与调制,最后辐射出高亮度相干辐射。无论是射频电子加速器或由周期性磁铁构成的电子波荡器都是体积庞大,造价昂贵。发展小型化、低成本的新一代自由电子激光,包括台式化的电子加速器和波荡器是科学界一直梦寐以求追逐的重大目标。

然而,这一“新加速原理”在产生高品质电子束方面遇到诸多难题和挑战。比如激光加速获得的高能电子束的能散度比较大。激光尾波场加速的工作介质是被称第四种物态的等离子体,上海光机所研究团队此次创新性地在两段等离子体之间引入一段高密度等离子体,当120太瓦的超强超短激光脉冲在这种特殊密度结构的等离子体介质中传播时,在短短5毫米距离内电子束能量就可加速到600兆电子伏特,各项性能也得到了全面提升。

上海光机所强场激光物理国家重点实验室在超强超短激光驱动的台式化高能电子加速器和波荡器新原理、新概念研究方面进行了长期不懈的探索。继2016年在超强超短激光驱动的激光尾波场电子加速获得创纪录高亮度高品质电子束重大成果之后,该研究团队又在超强超短激光驱动的微型、瞬态的波荡器新概念研究方面取得重大原创突破,首次成功构建了全光驱动的金属丝波导螺旋波荡器并实现了放大的强THz辐射输出。在该项工作中,研究人员利用一束超强超短激光辐照金属丝靶,通过激光与等离子体相互作用产生定向的高能电子发射,同时基于电荷分离在金属丝上瞬间产生一个极强的径向瞬态电场;该电场导引沿金属丝方向附近发射的大量高能电子沿金属丝传输并进行周期性的螺旋运动相当于电子束在一微型波荡器中的螺旋运动。这种运动产生了强THz辐射,转换效率达到1%以上。实验中,电子束能量~100keV,瞬态波荡器周期约650微米;通过改变金属丝的直径可以改变径向电场强度,从而改变波荡器周期,获得了频率可调谐的近单周期宽带THz辐射;通过改变金属丝的长度,首次观测到了THz辐射强度随传输距离的非线性放大效应,放大倍数达到10倍以上。这种强THz辐射源有望在材料的探测研究方面获得重要的应用。该项研究中电子束和波荡器都是由同一束激光同时产生,这种波荡器新概念有望进一步拓展,在短波长甚至X射线自由电子激光等领域得到重要应用。

与此同时,利用该方案获得的高亮度电子束与超强超短激光对撞产生了超高亮度伽马射线源,与国际上报道的同类伽马射线源亮度相比高出一个量级以上,比传统伽马射线源同能区的峰值亮度提高了10万倍。目前,该研究团队利用该电子束正在开展小型化全光自由电子激光装置的研制工作。

上海光机所激光尾波场加速产生高亮度高品质电子束的研究成果发表于9月16日的国际物理学领域顶尖刊物《物理评论快报》上,并被优选为亮点论文。评审专家高度评价了这一研究结果:“该亮度是迄今激光尾波场加速器实现的最高纪录。提出的新方法实现了创纪录的电子束流品质。”这使我们距离低成本的激光粒子加速器的科学梦想更近了。

(原载于《解放日报》2016-09-22 02版)

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