盧卡·詹內西 用于調查我們世界的新工具的出現總是會帶來新的發現。稱為自由電子激光器 (FEL) 的光源就是此類工具的示例。FEL 可以產生多種波長的輻射，包括極紫外1和 X 射線2范圍，并且可以產生超短脈沖，在飛秒3 (10 –15  s) 甚至阿秒4 (10 –18 s) 時間尺度。在這些時空尺度上，生物學、化學和物理學之間幾乎沒有什么區別，而 FEL 已經徹底改變了這三個學科。FEL 使物質能夠就地凍結并在微觀層面進行觀察，使科學家能夠解析原子或電子的運動，控制化學反應并跟蹤化學鍵或能量轉移過程的動力學。在Nature 上的一篇論文中，Wang等人。5報告了緊湊型 X 射線 FEL 發展的里程碑。

FEL 產生的輻射來自高能電子束，該束穿過波蕩器，這是一長串交替極性的磁鐵(圖 1)。波蕩器使電子橫向振蕩，振蕩光束發出的光的波長與振蕩空間周期除以光束能量的平方成正比。因此，光束能量是用于調整 FEL 光輸出波長的主要參數之一。

圖1 | 由在激光激發的等離子體波中加速的電子驅動的自由電子激光器。王等人。5向氣體射流發射激光脈沖以產生稱為等離子體的電離氣體。等離子體中的電子在“沖浪”稱為等離子體波的電磁波時被加速。作者將產生的高能電子束引導到稱為自由電子激光器的光源中，該光源包括一組交替極性的磁體(由兩種灰色陰影表示)。這些磁鐵使光束橫向振蕩并發出輻射。最初，電子隨機分布并產生低振幅光。然而，當離開磁鐵時，電子聚集成輻射波長大小的區域并發射高振幅光。

如果光束具有足夠高的電流并且足夠單色，則能量可以有效地從電子束轉移到激光——也就是說，如果電子具有相似的能量、遵循相似的軌跡并發射具有相似特性的光。當這種高亮度光束與波蕩器內部產生的光的電磁場相互作用時，光束將其部分動能傳遞給激光。結果，光在通過波蕩器傳播時被放大了幾個數量級。因此，FEL 需要高能量和高亮度的電子束來產生短波長的強激光，例如極紫外或 X 射線波長。

電子束通常通過將電子注入一長串稱為共振腔的空心金屬結構中來加速，其中粒子通過“沖浪”電磁波逐漸獲得能量。最終能量取決于波的振幅(即加速場的強度)和加速器的長度。目前的技術將加速腔中的場強限制為每米幾十兆伏。因此，需要幾百米到幾公里長的加速器才能達到 X 射線 FEL 所需的幾千兆電子伏 (GeV) 的束能量。因此，高能電子束往往只能在大型加速器設施中使用，這限制了可以使用 FEL 或需要高能電子的高級研究工具的科學家數量。

這種限制是尋找產生強加速場的替代方法以減少與加速器相關的足跡和成本的動機之一。一個很有前景的想法是利用光激光器的高功率密度在等離子體(一種電離氣體)中激發電磁波6。在等離子體中可以產生比傳統加速腔強數千倍的加速場。有了這樣的場，X 射線 FEL 所需的電子束能量可以在幾十厘米而不是幾公里內達到。

等離子體波可以由激光脈沖或電子束本身激發。事實上，有可能以這樣的方式對束流進行整形，即束流的一部分激發波，然后加速同一束流的第二部分。這兩種方法之前都曾被探索過，并證明了與預測的6相似的巨大場強7、8. 但是，使用這些光束成功驅動 FEL 的缺失要素之一與光束質量有關。具體來說，電子之間的能量差異太大，發射的輻射表現為隨機分布的電子，而不是電子聚集成輻射波長大小的區域，其光放大率是幾個數量級更大。

各個團隊正在集中精力尋找穩定可靠的電子束加速條件，該電子束對于 FEL 放大來說是足夠單色的9。王等人。已經證明，這種放大可以使用在激光激發的等離子體波中加速的電子來實現(圖 1)。作者通過向直徑僅為 6 毫米的氣體射流發射激光脈沖來產生等離子體波。通過操縱氣體的密度，他們沿著加速方向塑造等離子體密度，并將來自等離子體的電子加載到等離子體波的加速階段。該技術確保產生的光束能量約為 0.5 GeV，具有足夠的質量來放大輸出波長為 27 nm 的極紫外 FEL 中的輻射。

Wang 及其同事的 FEL 的性能尚無法與現有的 FEL 設施相匹配，這些設施可產生類似波長的輻射1 , 10。然而，這種激光器代表了一項技術突破，其穩定性、再現性和將能量從電子束轉移到輻射的效率可能會在未來得到改善。作者的實驗為由極其緊湊的加速器11驅動的 FEL 鋪平了道路，可以在大學規模的設施中進行管理。對有利于發現的新工具的要求之一是其可用性，而這項工作有望增加 FEL 光在世界上的可用性。