大阪大學產業科學研究所的細貝知直教授（國立研究開發法人理化學研究所團隊負責人）、QST（國立研究開發法人量子科學技術研究開發機構）關西光量子科學研究所的神門正城所長、KEK（大學共同利用機關法人高能量加速器研究機構）物質結構科學研究所的山本樹名譽教授等人組成的研究團隊，利用雷射尾場加速（LWFA）生成的電子束，成功實現了極紫外（XUV）波段的自由電子雷射（FEL）振盪。細貝教授表示：「我從1998年起參與本研究，電漿控制技術逐步確立，現在終於獲得了堪比加速器水平的電子束。」相關成果已發表在《Physical Review Research》上。
圖1：基於LWFA電子束的XUV自由電子雷射驗證實驗示意圖
上游雷射裝置產生的超強超短雷射脈衝聚焦到超音速氣體噴流靶時，生成電漿。在電漿中被激發的電漿波（雷射尾場）能夠捕獲並加速電子從而產生高能電子束。該電子束通過電子輸運線進入下游的波蕩器，並在周期磁場的作用下進行蛇形振盪運動發射出XUV波段的自由電子雷射。（供圖：大阪大學 產業科學研究所）
XFEL是一種極強的光源，能夠以飛秒級的超短脈衝，產生輝度相當於太陽100億倍的高輝度相干X射線。由於該技術能夠像播放動畫一樣觀測原子、分子的結構變化，因此成為原子排列觀測、下一代半導體材料精細結構解析、化學反應及生命分子超高速動力學測量等世界前緣研究中不可或缺的基礎設備。然而，XFEL需要高能量、高品質的電子束，因此必須配備長達數百米高能加速器的大型設施。
受到關注的是通過照射高強度雷射產生電漿，並在電漿中實現電子加速的LWFA。LWFA有望讓加速器實現跨越式小型化，但另一方面，電漿的控制難度較大，生成的電子束品質存在較大波動，因此一直未能實現對電子束穩定性和品質要求極高的FEL，乃至XFEL的振盪。
此次，研究團隊抑制了雷射脈衝的波面畸變，提升了作為電漿源的超音速氣體噴流靶的穩定性。此外，還研發出對其內部結構進行精密控制的技術，成功將電子束的品質和穩定性提升至可實現XUV波段FEL振盪的水平。
研究團隊攻克了多項技術難題，比如通過空間濾波器濾除雷射脈衝的邊緣部分，僅採用平面度高的中心部分，提升了雷射的聚光精度。這一做法實現了電漿生成的穩定性，從而大幅降低了電子束點的抖動，在提升電子束穩定性的同時，也改善了其單色性。
QST的中新信彥主幹研究員表示：「這是一次偶然的發現。最初我們為了其他用途，嘗試放置小型光闌來縮小光束尺寸，結果發現電子束性能得到了大幅改善，還發現可通過移動光闌實現對電子束的調控，於是便將這一方法納入了研究中。」
此外，團隊還設計了使氣流均質化的內部整流結構，實現了比以往穩定性、重現性更高的超音速氣體噴流靶。同時，新開發出一種利用衝擊波在氣體靶內部穩定形成陡峭階梯狀密度結構的方法，成功生成了FEL振盪所需的高單色性電子束。
通過將這些改良後獲得的高品質、高穩定性LWFA電子束輸入波蕩器，研究團隊確認在XUV（波長27～50奈米）波段，輻射光強度相較於自發輻射最大放大約20倍（FEL振盪）。此外，通過加裝抵消磁體間強磁場吸引力的斥力磁體，大幅實現了波蕩器的小型化和輕量化，並成功縮小了FEL發生部分的尺寸。這明確地展示了未來實現臺式FEL系統的可能性。
本次研究成果實證了利用LWFA電子束實現FEL振盪的可行性，為大學及研究室層面也可引入的小型X射線·XUV相干光源的實現開闢了道路。同時，這標誌著LWFA技術正邁向接近實用化水平的高品質電子束加速器，是一項極具重要意義的里程碑。未來有望實現臺式XFEL，或許終將迎來能在眾多實驗室中普及使用的一天。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Physical Review Research
論文：Optimized Laser Wakefield Acceleration: Generating Stable, High-Energy, Monoenergetic Electron Beams and Demonstrating Extreme-Ultraviolet Free Electron Lasers
DOI：https://doi.org/10.1103/qvg7-ng8n
