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自由电子激光是利用自由电子为工作媒质产生的强相干辐射，它的产生机理不同于原子内束缚电子的受激辐射。自由电子激光的基本原理是通过自由电子和光辐射的相互作用，电子将能量转送给辐射而使辐射强度增大。自1960年世界上第一台激光器诞生以来。

随着激光器技术的研究和发展，人们普遍希望普通激光器的功率、效率、波长调谐范围能有大幅度地提高。但对于普通的激光器来说，简直难以做到。于是，科学家们开始探索新的方法、新的途径来提高激光器的性能。早在20世纪50年代初期，就有人提出了自由电子受激辐射的设想。

8月中旬，“X射线自由电子激光试验装置”通过了专家组的工艺验收。该项目实现了EEHG-HGHG级联模式放大，相较于两级级联HGHG模式具备更好的中心波长稳定性和更窄的带宽。相较于两级级联HGHG模式具备更好的中心波长稳定性和更窄的带宽。1300 MHz大晶粒9-cell超导腔垂直测试加速梯度和无载品质因数Q0达到国际先进水平。 自主研制和集成的设备超过90%。

X射线自由电子激光试验装置是由中国科学院和教育部共同向国家申请建造的国家重大科技基础设施, 项目由中国科学院上海应用物理研究所作为法人单位, 北京大学作为共建单位。项目的科学目标是探索两级外种子自由电子激光级联模式, 以确定硬X射线自由电子激光装置发展的技术路线, 解决并掌握关键技术, 进行人才与技术储备, 为我国建设硬X射线自由电子激光装置作预先研究。

项目的工程目标是建成由射频电子直线加速器驱动的软X射线自由电子激光装置, 为升级为用户装置提供基础。项目建设内容包括1台能量为840 MeV的电子直线加速器, 1台两级级联的EEHG-HGHG外种子自由电子激光放大器, 公用设施以及主体建筑和辅助建筑, 目标是产生中心波长为8.8 nm的全相干软X射线自由电子激光脉冲。

在X射线自由电子激光试验装置的基础上, 后续将提升直线加速器能量到1.5 GeV, 同时改造和新建总共2条波荡器线, 提供3-20 nm种子型FEL辐射和2-10 nm SASE型FEL辐射, 首批将为5个实验站供光, 升级成上海软X射线自由电子激光用户装置。目前用户装置的基建和公用设施已经就绪, 大部分设备研制已经完成, 正在进行设备安装, 预计2020年初开始调束, 年底向用户开放。

研究进展与成果

作为新一代光源, X射线自由电子激光(XFEL)的峰值亮度比第三代同步辐射光源高10亿-100亿倍; 脉冲长度可达到飞秒量级, 比第三代同步辐射光短1 000倍, 而且相干性更好。XFEL的出现, 为物理、化学、生物、材料等学科前沿研究开辟了全新的领域, 成为实现科学突破与技术创新的研究利器。

X射线自由电子激光试验装置加速器

X射线自由电子激光试验装置的项目建议书于2011年2月获得国家发展和改革委批复, 2014年12月在"上海光源"园区内举行开工奠基仪式, 启动工程建设。SXFEL-TF是基于外种子模式的自由电子激光装置, 采用光阴极注入器产生高亮度电子束, 采用C波段常温直线加速器作为主加速器将电子束团加速至高能量, 随后在波荡器系统中产生全相干的软X射线自由电子激光, 其FEL输出波长为8.8 nm。

SXFEL-TF主要开展对先进FEL, 尤其是外种子型FEL运行模式的实验研究。2018年实现了HGHG和EEHG模式下的24 nm FEL饱和输出, 这是国际上首次在EUV波段实现EEHG放大饱和, 其脉冲能量达到百微焦量级, 同时由测量光谱可见EEHG的相干性好于HGHG; 2019年3月主加速器进行了技术测试, 全面达到设计指标; 2019年4月实现8.8 nm自由电子激光的出光放大, 光子能量及脉冲长度达到设计指标, 辐射功率接近设计指标。

自由电子激光新原理实验和关键技术

该项目在高梯度加速结构、高性能波荡器、高精度束测和光学诊断、激光-电子束同步设备以及种子和驱动激光系统等关键技术研制方面也取得了重要进展。其中, C波段高梯加速单元实现了国际上最高的平均运行加速梯度37.1 MV/m, X波段线性化微波单元和X/C/S波段偏转腔测量系统也投入了工程应用, 这些关键技术的成功研制保证了直线加速器达到设计指标和种子型FEL顺利出光。

新闻来源：中国科学院上海应用物理研究所