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

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室研究團隊，在基于激光尾場加速器驅動的自由電子激光器魯棒性優(yōu)化方面取得進展，相關成果以“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、波長相干的輻射，是探索微觀世界奧秘的強大工具。然而，傳統(tǒng)FEL設施依賴于大型射頻加速器，體積龐大、造價高昂，限制了其廣泛應用。激光尾場加速器(Laser Wakefield Acceleration, LWFA)以其極高的加速梯度，為研制桌面型、經(jīng)濟型的緊湊FEL提供了革命性方案。近年來，LWFA驅動的FEL雖已實驗成功，但其固有的shot-to-shot(發(fā)次)不穩(wěn)定性，成為實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠運行的主要障礙。

圖2：電子束指向抖動下的FEL能量。

近期，團隊采取了一套系統(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影響下，電子束參數(shù)的變化范圍和關聯(lián)性。通過引入“協(xié)方差矩陣自適應進化策略”(CMA-ES)的優(yōu)化算法，對從加速器到波蕩器的整個束線進行了長達數(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，F(xiàn)EL在約25納米波長的極紫外波段輸出能量仍能穩(wěn)定維持在1 μJ以上，對應每脈沖超過1×1011個光子。進一步分析表明，該優(yōu)化方案對電子束的指向抖動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。這項研究不僅為LWFA-FEL的魯棒性設計提供了清晰的技術路徑，更標志著緊湊型FEL正從原理驗證邁向實用化、可靠化的關鍵一步。

相關工作得到了國家自然科學基金、中國科學院先導專項(B類)、中國科學院基礎研究領域青年科學家項目、中國科學院青年創(chuàng)新促進會及新基石科學基金會設立的科學探索獎的支持。

審核編輯 黃宇