近期，柏林亥姆霍茲中心（HZB）、德國聯(lián)邦計量學會（PTB）和清華大學的研究人員通過合作設計了一種新型加速器輻射源，如圖1所示，并在PTB的計量光源上完成了對電子束的操控，使其成功發(fā)射出類激光輻射的強光脈沖。這一發(fā)現(xiàn)有望填補現(xiàn)有同步加速器輻射源的空白，并可將其應用于實際工程應用當中。

圖1 新型加速器輻射源

圖片來源：Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03203-0

粒子加速器作為光子源的使用促進了科學技術(shù)的發(fā)展，在粒子加速器中，電子被加速到接近光速，然后發(fā)出具有特殊特征的光脈沖，目前這樣的加速器可以分為基于存儲環(huán)的同步加速器輻射源和基于自由電子激光器（FEL）的線性加速器輻射源。

在基于存儲環(huán)的同步加速器輻射源中，電子束在環(huán)中行進數(shù)十億轉(zhuǎn)，然后在偏轉(zhuǎn)磁鐵中快速連續(xù)產(chǎn)生非常明亮的光脈沖。相反，在自由電子激光器中的電子束被線性加速，然后發(fā)出類似激光的單個超強光脈沖。

但這兩個輻射源卻存在一定的限制：基于存儲環(huán)的同步加速器輻射源存在時間上不相干的性質(zhì)，雖能提供高重復率的光子，卻在功率方面受到較大限制；基于自由電子激光器的線性加速器輻射源雖產(chǎn)生具有高峰值亮度的輻射，但是其重復頻率受到驅(qū)動源的限制。

基于這種限制因素，該研究團隊從“穩(wěn)態(tài)微束（SSMB）”理論出發(fā)（該理論大約在10年前由加速器理論專家Alexander Chao和其博士生Daniel Ratner提出），并對其進行了深入研究，其研究結(jié)果表明利用該理論可以在同步加速器輻射源中產(chǎn)生脈沖模式，并將兩種系統(tǒng)的優(yōu)點相結(jié)合，即同步加速器提供短而強的微束電子，這些電子既能像FFL一樣產(chǎn)生類激光的脈沖輻射，也能像同步加速器輻射源一樣產(chǎn)生緊密排列的高重復性脈沖。

德國聯(lián)邦計量學會（PTB）的計量光源（MLS）是世界上第一個通過設計優(yōu)化在“low alpha mode”下運行的光源，在此模式下，電子束可以被大大縮短，因此被用于新型加速器輻射源的實驗驗證當中。

此外，HZB和PTB的研究人員設計了一種光學激光器，并基于MLS的電子束對光波進行了精確的時空同步耦合，以實現(xiàn)對MLS能量的調(diào)制。HZB的加速器物理學家JörgFeikes對其解釋到，這可以使得幾毫米長的電子束在存儲環(huán)中旋轉(zhuǎn)一圈后分裂成微束(1 μm長)，然后像激光一樣相干放大并發(fā)出光脈沖。為了對相干輻射進行測試，其研究人員還開發(fā)了一種新型光學檢測裝置，并對其進行了成功檢測。

SSMB光源將同步加速器和FEL輻射源的優(yōu)點結(jié)合在一起，可以產(chǎn)生高強度、窄帶寬和可聚焦的新特性輻射，且在未來還可以產(chǎn)生可見光范圍以外的類激光輻射（如EUV波段范圍），可將其應用于EUV光刻等工業(yè)領域當中。