圖1：優(yōu)化后的FEL輻射能量，電子束在(a)激光能量抖動(dòng)，(b)激光焦點(diǎn)位置抖動(dòng)和(c)激波位置抖動(dòng)條件下的FEL輻射能量。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)，在基于激光尾場(chǎng)加速器驅(qū)動(dòng)的自由電子激光器魯棒性優(yōu)化方面取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“Robustness optimization for compact free-electron laser driven by laser wakefield accelerators”為題，發(fā)表于Physical Review Research。

自由電子激光(Free Electron Laser, FEL)能夠產(chǎn)生超高亮度、波長(zhǎng)相干的輻射，是探索微觀世界奧秘的強(qiáng)大工具。然而，傳統(tǒng)FEL設(shè)施依賴于大型射頻加速器，體積龐大、造價(jià)高昂，限制了其廣泛應(yīng)用。激光尾場(chǎng)加速器(Laser Wakefield Acceleration, LWFA)以其極高的加速梯度，為研制桌面型、經(jīng)濟(jì)型的緊湊FEL提供了革命性方案。近年來，LWFA驅(qū)動(dòng)的FEL雖已實(shí)驗(yàn)成功，但其固有的shot-to-shot(發(fā)次)不穩(wěn)定性，成為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的主要障礙。

圖2：電子束指向抖動(dòng)下的FEL能量。

近期，團(tuán)隊(duì)采取了一套系統(tǒng)性的優(yōu)化策略。首先利用粒子模擬(Particle In Cell, PIC)定量分析了在三種典型抖動(dòng)影響下，電子束參數(shù)的變化范圍和關(guān)聯(lián)性。通過引入“協(xié)方差矩陣自適應(yīng)進(jìn)化策略”(CMA-ES)的優(yōu)化算法，對(duì)從加速器到波蕩器的整個(gè)束線進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)數(shù)千次的虛擬調(diào)試。經(jīng)過優(yōu)化后，即使考慮兩倍均方根幅度的參數(shù)抖動(dòng)，F(xiàn)EL在約25納米波長(zhǎng)的極紫外波段輸出能量仍能穩(wěn)定維持在1 μJ以上，對(duì)應(yīng)每脈沖超過1×1011個(gè)光子。進(jìn)一步分析表明，該優(yōu)化方案對(duì)電子束的指向抖動(dòng)也具有顯著的容忍度，即使在1毫弧度的指向偏差下，輻射能量依然能保持在1μJ的水平。這項(xiàng)研究不僅為L(zhǎng)WFA-FEL的魯棒性設(shè)計(jì)提供了清晰的技術(shù)路徑，更標(biāo)志著緊湊型FEL正從原理驗(yàn)證邁向?qū)嵱没?、可靠化的關(guān)鍵一步。

相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)(B類)、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年科學(xué)家項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)及新基石科學(xué)基金會(huì)設(shè)立的科學(xué)探索獎(jiǎng)的支持。

審核編輯 黃宇