在英國思克萊德大學(University of Strathclyde)領導的一項研究中，研發出了一種在紫外光譜區產生相干光的新方法，為開發明亮的臺式X射線源指明了方向。這項新研究已經發表在《Nature》期刊的子系列《Scientific Reports》上。
科學家們開發出了一種不需要激光作用來產生相干性的超短波相干光源。常見的基于電子束的光源，被稱為第四代光源，是在自由電子激光器( free-electron laser-FEL)的基礎上形成的。FEL通過使用波蕩器將電子束能量轉換成x射線。
相干光源功能強大，能夠在醫學、生物學、材料科學、化學和物理學等許多領域進行研究和應用。這種產生相干輻射的新方法可能會給光源帶來革命性的變化，因為它將使光源高度緊湊，形成桌面大小，產生比其他任何方法產生的光脈沖都要短得多的超短持續時間光脈沖。
紫外光和x射線相干光源若更廣泛地被應用，則會對科學發展方式帶來顛覆性變化。未來一所大學可以在房間的桌面上，以合理的價格安裝一個這樣的設備。該小組現在正計劃在紫外光譜范圍內進行一項原理驗證實驗，來展示這種產生相干光的新方法。一旦成功，將大大加速基于同樣原理的更短波長相干光源的發展。他們已經建立了蘇格蘭等離子加速器應用中心(Scottish Centre for the Application of Plasma-based Accelerators-SCAPA)來深入研究各種光源，該中心擁有英國最高功率的激光器之一。
思克萊德大學物理系的Dino Jaroszynski教授領導了這項研究。他說：“通過提出一種利用短波蕩器和阿秒持續時間的電子束產生短波相干輻射的新方法，此研究極大地推進了同步輻射源的發展水平。這種激光器比自由電子激光器更緊湊，對電子束質量的要求更低，可以提供光源的范式轉變(Paradigm Shift，指在科學范疇里，一種在基本理論上從根本假設的改變)，這將激發新的研究。它提出了一種新方法，即在波蕩器中使用束壓縮來顯著增強輻射亮度，比如利用啁啾脈沖放大激光器(chirped pulse amplification lasers——CPA激光)。”
和所有激光器一樣，在自由電子激光器中光的強度被一種反饋機制放大，這種機制鎖定了單個輻射器的相位，使其成為“自由”電子。在自由電子激光器中，這是通過讓高能電子束通過交替排列的磁鐵陣列——波蕩器來實現的。電子在波動器中擺動時發出的光產生了一種叫做“有質動力”(Ponderomotive Force)的力。可以想象成高速公路上的交通不停地減速和加速，這種力使電子聚在一起——有些減速、有些加速，然后形成了聚束。
穿過波蕩器的電子如果均勻分布，就會輻射出非相干光——對于每一個發光的電子，都有另一個電子部分抵消了光，因為它們輻射的相位不同。不妨把此類比成海上的雨——雨在海面上產生許多小漣漪，這些漣漪部分相互抵消，降低其振幅，從而有效地抑制了波浪。相比之下，平均風或脈動風會通過風與海的相互作用使波浪變大、變劇烈。
在自由電子激光器中，電子聚束導致光的放大和相干性的增加，這通常需要很長時間，因此需要非常長的波蕩器。在x射線自由電子激光器中，波動器可以有一百多米長，驅動這些X射線自由電子激光器的加速器長達數公里，這使得這些設備非常龐大且價格昂貴。然而，使用自由電子激光產生相干輻射并不是唯一的方法。“預聚束”(pre-bunched beam)或超短電子束也可用于在長度小于一米的極短波動器中實現完全相同的相干性。只要電子束比波動器產生的光波長短，它就會自動產生相干光。所有的光波會相加或相長干涉，從而產生非常明亮的光，其性質與激光完全相同。研究人員從理論上證明，這可以通過使用激光等離子體尾波場加速器來實現，該加速器產生的電子束長度可以達到幾十納米。他們表明，如果這些超短的高能電子束通過一個短波蕩器，它們可以與那些昂貴的自由電子激光器一樣，產生眾多光子。此外，他們還表明，通過產生能量啁啾電子束，他們可以在波蕩器內將電子束壓縮到非常短的持續時間，這提供了一種使電子束更短、產生更短波長光的獨特方式。
來源：Enrico Brunetti et al, Vacuum ultraviolet coherent undulator radiation from attosecond electron bunches, Scientific Reports (2021). DOI: 10.1038/s41598-021-93640-8
