首次构建微型瞬态波荡器新突破

当一束超强超短激光打在直径50微米的金属丝上，除了产生高能电子束，还会发生什么？上海光机所强场激光物理国家重点实验室徐至展、李儒新、刘建胜等科研人员，在国际上第一次用瞬态等离子体这一全新介质，构建了一种微型的瞬态电子波荡器。这一最新研究成果2月27日在线发表于《自然》子刊《自然·光子学》。这是继去年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大原创突破。

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，包括台式化的波荡器是科学界一直梦寐以求追逐的重大目标。

所谓波荡器，通俗地说，就是让电子像波浪一样荡起来。当电子改变运动方向，就会发出光。此次构建的微型波荡器，周期约650微米，相比周期为几个厘米的传统波荡器，在体积上小了几十倍。此次实验通过激光与等离子体相互作用产生定向的高能电子束，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，其持续时间非常短暂，仅在几个皮秒量级（1皮秒等于一万亿分之一秒），从而实现了一种微型、瞬态的波荡器方案。通过改变金属丝的长度，还首次观测到了太赫兹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。这种强太赫兹辐射源有望在材料的探测研究方面获得重要应用。

该项研究中电子束和波荡器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。

论文审稿人高度评价了这一成果，指出“这一概念令人惊叹”“该文将会吸引包括激光器、电动力学（太赫兹波）、电子束、波荡器及自由电子激光等领域研究者的兴趣。”