对话《自然》封面文章作者 | 激光加速器首次发射自由电子激光
自由电子激光可广泛应用于结构生物、材料、化学等领域的前沿研究，但其庞大的规模和昂贵的造价又极大限制了它的进一步推广和应用。7月22日，《自然》发表了中国科学院上海光学精密机械研究所等基于激光加速器的小型化自由电子激光研究方面取得的突破性进展，并以“Compact Source”为题把这项研究成果作为封面故事向读者介绍。在论文发表之际，Nature portfolio的执行主编杨晓虹博士与共同通讯作者、张江实验室主任、中国科学院院士李儒新和共同第一及共同通讯作者、中国科学院上海光学精密机械研究所研究员王文涛，进行了对话。
X射线自由电子激光（free-electron laser，FEL）对于结构生物学和化学等领域必不可少，它能以标准台式激光器无法达到的频率产生高强度的相干辐射束，但这需要利用昂贵的大型加速器得到高强度高能的电子束，因而这类装置只在专门设施中使用。在本期《自然》中，王文涛和同事大幅减少了碳足迹，或使该技术更容易获得，朝紧凑型FEL迈出了关键一步。研究团队利用一个激光尾波场加速器（通过等离子体波加速电子）的电子束成功产生了相干辐射，将辐射功率提高了约100倍，这意味着在气体喷流末端仅6毫米处就能实现电子产生激光的正确条件——比当前FEL的3000米左右缩短了数个量级。封面图片：Julie Liu
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杨晓虹：首先，热烈祝贺这篇“十年磨一剑”的文章的正式发表！能否向我们的读者解读一下实现台式化自由电子激光的重要性和这项最新工作的主要突破？
李儒新：感谢！自由电子激光是实现X射线波段高亮度相干光源的迄今最佳技术途径。X射线自由电子激光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，能极大地促进物理、化学、结构生物学、材料等多学科的发展。研制小型化、低成本的X射线自由电子激光对于拓展应用和产生变革型技术都是极其重要的。基于这点考虑，我们早在2011年就向国家自然科学基金委提出研制新一代台式化自由电子激光装置的构想，并获得资助和开始研究。
王文涛：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三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。国际上自2004年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，特别是X射线波段的自由电子激光，便成为了该领域科学家共同追求的前沿。近年来，激光尾波场加速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，不断提升电子束品质与稳定性、研制稳定高性能超强超短激光装置和超高梯度激光电子加速器也是我们这些年的主要努力目标。通过设计特殊的等离子体密度分布结构，优化控制电子束的注入过程与加速过程，使得电子束综合品质（包括能散、发射度、电量等）得到有效的提升，这为我们基于等离子加速技术研制台式化新型辐射源提供了保障。同时我们也结合了创新设计的紧凑型束流传输与辐射系统，在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27nm，最短激光波长可达10nm级，单脉冲能量可达100nJ级，国际率先完成了台式化自由电子激光原理的实验验证，对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。
Q
杨晓虹：在研究和文章发表过程中有没有让您印象深刻的时刻？
李儒新：我们这个工作是基于首批国家自然科学基金委重大仪器项目展开，在项目研制中期曾遭受过重大挫折，电子束无法稳定的传输到波荡器中，几乎可以宣告实验失败。这时候任何的决策都不能保证这个科学目标一定能完成。在经过方案论证之后，当时我果断的做了对整个装置不再修修补补，直接拆除重建的决定，这成为我们后续整个实验研究的转折点。
王文涛：当《自然》告知我们的封面被选中时，我们特别高兴。这个封面的idea是团队和上海科技大学的Julie Liu共同设计，然后由她来完成创作的，它描绘了激光驱动“空泡”从而加速“梦之束”逐梦新型台式化自由电子激光的一种场景。
Q
杨晓虹：接下来还有些什么要克服的障碍，才能真正实现广泛应用？
王文涛：电子束的可靠性和重频的不足仍然是阻碍激光尾波场电子加速进一步应用的主要问题。通过提高驱动激光和气体喷流的稳定性，匹配适当的实验参数和发展新的注入方案，我们可以稳定地产生高品质的电子束，并具备进一步优化的潜力，这对于提升辐射光子的能量和功率都是及其重要的。此外，我们还必须进一步发展针对飞秒尺度电子束的探测技术，主要包括尾波场探测和电子束的时空结构诊断等。最终通过实现激光尾波场电子加速器的闭环反馈和自动优化系统，将使这种紧凑型的自由电子激光光源实现并得到广泛应用。
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杨晓虹：谢谢！也感谢研究团队对我们的信任，如果对我们的期刊和工作等有什么建议，我们也随时欢迎！
中科院上海光机所台式化自由电子激光原理演示动画
李儒新，中科院上海光机所博士，研究员，中国科学院院士，光学专家，主要从事超高峰值功率超短脉冲激光与强场激光物理研究。现任中国光学学会副理事长、美国光学学会会士、国际超高强度激光委员会委员。
王文涛，中科院上海光机所博士，研究员，主要从事激光尾波场电子加速和紧凑型辐射源的研究。在Nature，Physical Review Letters等期刊上发表论文50余篇。曾获“2016年中国光学重要成果奖”、“2019年中科院青促会优秀会员”等荣誉。
杨晓虹（Helena）, 美国冷泉港实验室与石溪大学共同培养博士，于2018年10月加入施普林格·自然集团（Springer Nature），目前担任负责与大中华区学术与政府相关事务的副总裁及Nature portfolio的执行主编。她是Springer Nature出版委员会成员、公共政策领导小组成员及总编辑顾问组成员。