自由电子激光器在从红外到X射线域的波长范围内产生高亮度相干辐射。现在最新发展的短波长种子自由电子激光器，可以很好地控制纵向相干性，这是前所未有的，开辟了新的科学途径，如复杂系统上的超快动力学和X射线非线性光学。尽管这些设备依赖于最先进的大型加速器，但利用每厘米千兆伏加速场的激光等离子体加速器的进步，显示了其作为自由电子激光器的紧凑型驱动器是一项有前途的技术。使用这种占地面积减少的加速器，最近实现了自放大自发发射构型中散粒噪声型辐射的指数放大。然而，采用这种紧凑的方法，以受控的方式传送时间相干脉冲仍然是一个重大挑战。本文中我们展示了激光等离子体加速器驱动的自由电子激光器在种子构型中的实验演示，其中实现了对辐射波长的控制。此外，由锁相发射辐射和种子之间的相互作用产生的干涉条纹的出现，证实了纵向相干性。基于我们的科学成就，我们预计将有一条通向极紫外波长的可导航路径，为实现更小规模的自由电子激光器铺平道路，这是应用在工业、实验室和大学中的独特工具。
激光的发明对研究和日常生活产生了深刻的影响。由于系统架构和增益介质的创新，这种影响随着可用参数的扩展而增加。随着基于啁啾脉冲放大的超短脉冲和高峰值功率技术的出现，激光推动了科学的前沿，为相对论强度激光与物质相互作用的新应用打开了大门，其中激光等离子体加速是一个突出的例子。然而，关于X射线辐射的产生仍然存在基本限制，因为光放大是基于电子状态的居量反转，通常在固态材料中。相反，自由电子激光器（FELs）利用完全不同的增益介质，相对论电子束在周期性交变磁场中摆动。近几十年来，FEL经历了颠覆性的进展。第一批提供皮焦脉冲能量的低增益红外FEL为更高增益、更短波长以及成熟的硬X射线可调谐系统铺平了道路。FELs的应用同时得到了发展，X射线FELs现在被确立为在飞秒至阿秒时间尺度上研究原子分辨率物质的独特高亮度工具。在下一代粒子对撞机16的支持下，电子束源质量的不断提高使这一进展得以实现。
相关研究成果以 “Seeded free-electron laser driven by a compact laser plasma accelerator”为题发表在顶刊《nature photonics》上。
图1.实验布局。
图2. 波荡器出口处辐射的空间光谱分布
图3. 种子FEL原理和光谱控制。
图4. FEL二次电荷依赖性和纵向相干性。
