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德国德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）与法国巴黎附近的SOLEIL同步辐射中心研究团队近日宣布，在新一代紧凑型自由电子激光器研发方面取得重要突破。研究人员首次实现了激光等离子体自由电子激光器在高增益工作状态下的稳定、可重复运行，为未来建设体积更小、成本更低的自由电子激光装置铺平了道路。
自由电子激光器是现代科学研究的重要工具，能够产生极其短暂且强度极高的光脉冲，被广泛用于研究原子、分子以及新型材料。然而，目前全球多数自由电子激光设施规模庞大、造价高昂，可供科研人员使用的实验时间十分有限，因此研究者长期希望开发更加紧凑且经济的替代方案。
传统自由电子激光器需要利用长度可达两公里的大型加速器，将电子加速至接近光速。随后，电子束进入由磁体组成的波荡器，在不断摆动过程中释放出高度相干的强光脉冲。
新型激光等离子体自由电子激光器则采用完全不同的方法。研究人员利用激光在等离子体中产生特殊波动，让电子像冲浪一样“骑乘”在等离子体波上快速前进。借助这种机制，原本需要数百米甚至数千米加速距离才能达到的能量水平，如今仅需几毫米即可实现，整体加速距离缩短约一千倍。
尽管这一技术拥有显著优势，但长期以来始终面临稳定性不足的问题。对于科研实验而言，激光输出必须能够持续数小时甚至数天保持一致品质，而激光等离子体自由电子激光器过去一直难以达到这一标准。
此次突破的关键在于研究团队成功实现了激光与等离子体相互作用过程的精确控制。科学家利用HZDR的高性能DRACO激光系统，向仅数毫米厚的气体流中发射红外激光脉冲，产生稳定的等离子体环境，并精准调节激光参数，使其与等离子体条件实现最佳匹配。
完成加速后，电子束被送入波荡器系统。研究人员进一步引入激光脉冲与电子束的相互作用机制，以增强自由电子激光辐射强度，从而获得更高能量输出。
实验结果显示，团队成功产生了波长272纳米的高能量紫外光脉冲。更重要的是，激光功率首次展现出高增益状态特有的指数级增长特征，证明系统已进入强放大运行模式。这种状态被视为自由电子激光器实现高性能运行的重要标志。
研究人员表示，与团队在2023年公布的成果相比，此次实验实现了显著提升。过去难以保证稳定重复运行的激光等离子体自由电子激光器，如今已经能够持续稳定产生高质量辐射，为实际科研应用创造了可能。
科学界普遍认为，这项成果有望推动自由电子激光技术走向小型化和普及化。未来相关设备不再需要建设在大型国家实验室中，而有机会缩小至大学或中等规模研究机构也能承担的范围，从而为更多科研团队提供先进光源。
研究人员指出，目前系统产生的仍是紫外波段光源，但未来通过进一步升级和优化，有望将波长缩短至100纳米以下。届时，这类紧凑型自由电子激光器将在材料科学、化学反应观测、生物医学研究以及纳米技术等领域展现更大的应用价值。
此次成果已发表在《Physical Review Letters》期刊上，被视为自由电子激光器小型化发展道路上的一个重要里程碑，也为未来建设更加经济且易于部署的先进光源设施提供了现实基础。
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