自由电子激光器是一种利用自由电子的受激辐射，把相对论电子束的能量转换成相干辐射的激光器件，可应用在众多领域，具有广阔的市场应用前景，而要想自由驱动自由电子激光器，就必须对电子进行加速。科学家们一直尝试各种方法刺激电子，最近，他们利用拍瓦激光器成功将电子加速到2GeV。

    激光—等离子体加速的想法，于上世纪70年代末，由德克萨斯大学奥斯汀分校物理学家Toshiki Tajima和加州大学洛杉矶分校物理学家John Dawson共同提出。从上世纪90年代开始，科学家一直尝试在实验上验证这一概念，但是受到激光器功率的限制，最大能量多年来一直徘徊在1 GeV左右。

    近期，德克萨斯大学奥斯汀分校Mike Downer教授的研究小组成功地在1英寸的距离内将约5亿个电子加速到2 GeV。研究结果发表在《自然•通讯》杂志（Nat. Commun. 4, 1988）上。

    Downer说：“到目前为止，将电子加速到2 GeV这一级别的能量需要长度超过2个足球场的传统加速器，而我们实验中所用的设备尺寸缩减了近10,000倍。2GeV加速器产生的电子可以转换成‘硬’X射线，亮度比肩大型装置产生的X射线。对实验条件进一步优化后，我们甚至可以驱动X射线自由电子激光器——目前可用的最亮X射线源。”

图1：德克萨斯大学奥斯汀分校的台式实验装置。

    台式X射线激光将为化学家和生物学家带来巨大变革：他们可以使用这种高亮度的X射线在原子精度和飞秒时间分辨率上研究物质和生命的分子基础，而无需使用大型的国家装置。

    Downer说：“我们能够产生的这种X射线具有飞秒量级的脉宽，分子振动和最快的化学反应就发生在这个时间尺度上。例如，这种X射线具有足够高的能力和亮度，使我们能够看见活体样本中单个蛋白质分子的原子结构。”

    Downer和他的同事利用激光—等离子体加速产生能量高到足以产生X射线的电子；该方法使用超短超强激光脉冲轰击气体云团，使其电离形成等离子体。Downer说：“该方法还能够记录自身内部结构。首先，将电子从背景离子中分离出来，并创建巨大的内部空间电荷场。接着，带电粒子从等离子体中溢出，被空间电荷场俘获，以接近光速的速度沿激光脉冲前进方向移动，并在空间电荷场中获得加速。”

    该研究小组在实验中使用了Texas拍瓦激光器，因而他们所使用的气体密度远远低于前期实验中的气体密度。Downer说：“气体密度越低，激光脉冲传输速度越快。但是，就前几代激光器而言，如果气体密度过低，就没有足够的电子注入到加速器中，因而什么也得不到。”

图2：真空腔室的内部布局：激光束从右侧射入；气体喷嘴放置腔室中心位置，其内部发生电子加速。实际加速距离大约为1英寸。

    Downer说：“现在，2GeV加速器的可操作行已经得到了证实，预计未来几年内将研发出10GeV加速器，可用于做生物学家和化学家所期望的X射线分析。我认为，实现10GeV电子产生无需重大突破。如果我们能够保证未来几年的研究经费到位的话，所有这一切都可以发生。现在，市场上已经开始销售商用拍瓦激光器。只要我们能够做的更好，生产商就将可以开发出10GeV加速器模块。然后，化学家和生物学家等终端用户就可以获得更多的创新和发现。我还相信，未来十年内就可以研发出类似规模（几厘米长）的20GeV加速器。”

    成功将电子加速到2GeV，让驱动X射线自由电子激光器成为了可能，是科学领域的一大突破，同时2GeV加速器的可操作性也将为生化学和化学领域带动一定的技术变革，从而促使他们获得更好更大的发现。