来自中国光学期刊网
自由电子加速时将产生电磁辐射，其辐射电磁波的属性受到所处介电环境和电子能量的共同约束。近年来，由光子准粒子构成的新型光场为微纳尺度下调制的电子辐射提供了一个优越平台，并由此发展出了多种辐射的新原理。这类采用光子准粒子调制自由电子发射辐射的机制被称为广义的“微型波荡器”概念。
论文信息：Dongdong Zhang, Yushan Zeng, Ye Tian, Ruxin Li. Coherent free-electron light sources[J]. Photonics Insights, 2023, 2(3): R07
导读
应Photonics Insights创刊主编邀请，中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“上海光机所”）李儒新院士和田野研究员团队撰写了题为“Coherent free-electron light sources”（自由电子光源）的综述论文，以“封面文章”的形式发表于Photonics Insights 2023年第3期。该团队系统总结了自由电子辐射原理与光源技术的发展历程，重点介绍了紧凑型相干辐射源的最新方案与研究进展，对台式化自由电子相干光源的发展，以及覆盖太赫兹至极紫外、X射线，甚至新型准粒子相干辐射源的发展具有重要指导意义。
自由电子辐射是一个应用广泛且机理丰富的学科，在光学、凝聚态物理、量子物理、生物化学等诸多研究领域中有着广泛的应用和发展。自由电子辐射最早可以追溯到19世纪发现的阴极荧光辐射，而自由电子激光的发明则将一系列基础研究推向了高潮。同时也激发了人们对新型自由电子辐射和新发光机理做进一步地探索和研究 。
近年来，随着超强超短激光技术的发展，这一古老的概念不断孕育出新的内涵，由此带来了全新的自由电子学光场调控、光学微型波荡器概念、激光等离子体加速、紧凑型自由电子激光的思考及其验证等。其研究的核心是发现和控制自由电子与光子之间的相干能量转换过程。在未来，超短电子脉冲有望为产生超辐射提供了有力手段，即使在微尺度上使用光学微波荡器也有望获得高亮度和相干性。
一、自由电子辐射
自由电子在受到外界场作用时就会产生辐射，历史上自由电子辐射的研究可以追溯到100年前发现的阴极发光，并且至今依旧应用于医疗、成像探测等领域。而自由电子发生辐射的机制还有很多，包括切伦科夫辐射、史密斯-珀塞尔辐射、渡越辐射、同步辐射、波动器辐射、康普顿散射和汤姆逊散射等。
1934年，苏联物理学家P. A. Cherenkov 首次发现了切伦科夫辐射（CR），随后在1937年I.M. Frank和I. Y. Tamm从麦克斯韦方程出发对这一现象进行了经典的描述。当自由电子在介质中运动速度超过介质中的光速，即ve>vph=c/n时产生的辐射，被称为“超光速辐射”。在粒子探测、成像、天体物理学和核素探测方面具有重要的应用。
1945年，Ginzburg和Frank预言了“渡越辐射”。“渡越辐射”可直观理解为电子在两个不同介质中产生的电磁场波矢之间的差值，该差值以远场辐射的方式释放到自由空间。利用TR辐射机制发展的辐射光源，特别在稀缺波段如X射线、THz射线等，都是一种简单高效的手段。
1988年，康奈尔大学的Paul Hartman教授首次在会议上提出自由电子相干同步辐射（CSR）。CSR主要发生在电子束的轨迹在偶极磁体中弯曲时，包含基于存储环的源和基于线性加速器的源。目前，50多个同步辐射源目前已在全球23个国家投入使用。
1953年，美国物理学家S. J. Smith和E. M. Purcell首次发现：自由电子在金属光栅表面经过后，会激发产生 “史密斯普赛尔辐射（SPR）”。可以预见，SPR在同样为周期材料的光子晶体或者超表面中产生的辐射波段更短。这是因为在亚纳米尺度上，光子晶体的类似空间周期允许低能电子发射紫外线或X射线。
自由电子驱动的辐射光源在科研、工业生活中应用广泛，而获得更短的辐射波长和更高的辐射功率将为探究物质世界提供关键工具。自由电子激光（FEL）正是诞生在这一背景下。1971年，美国Madey[1]教授提出自由电子激光的理论，并于1997年建造了人类历史上第一台受激辐射放大的自由电子激光装置。
此后的几十年内，相继有5项诺贝尔奖诞生于自由电子激光相关领域。由于采用了相对论能量的自由电子，导致这种机制下经过频率转换产生的辐射波长可以达到X射线频段。而X射线在生化、材料、信息、能源等都有重要应用。FEL的核心原理是自由电子与辐射场的共振关系，可以表示为，在这个数学式子中自由电子能量γ和λu波荡周期是两个关键物理量。而电子相干辐射的小型化的关键则是从这两个物理量入手，发展对应的理论和技术。
近二十年随着超强超短激光的发展（PW量级的飞秒激光系统），自由电子激光或自由电子相干光源迎来了一个新的机遇和挑战，即：与强场激光的融合发展了新型的加速系统、与新的纳米光子学的交叉发展了微型波荡器。这些涌现的新原理和新技术的关键是研究自由电子与光子或光子准粒的作用下的对辐射发光机理的研究。并有望作为现有的大型光源装置的有效补充和结合。
二、激光尾场加速小型化自由电子激光发展
激光尾场加速（LWFA）方案被认为最有潜力、下一代的紧凑型粒子加速技术，并在国际上迅速引起广泛的关注和研究。特别是在2004年“Dream Beam”的实验验证，让人们看到了LWFA驱动FEL的希望。2020年，上海光机所在国际上首次实验证实了激光尾场电子加速驱动静磁周期波荡器FEL在27 nm波段实现了指数放大[2]，如图3(a)所示。这种实验装置的发展为LWFA在实际的FEL光源应用中奠定了里程碑式的意义，为紧凑型自由电子激光装置的发展提供了重要参考。
随后2021年，来自意大利弗拉斯卡蒂国家实验室验证了光阴极电子源结合等离子体加速驱动波荡器在830 nm波段实现了指数增益[3]。2022年，法国SOLEIL实验室验证了LWFA电子驱动的Seeded-FEL实现高纵向相干FEL输出，他们在270 nm 处利用外部种子实现了对自由电子激光辐射波长的控制。2023年，英格兰斯特拉斯克莱德大学的团队进一步提出PWFA驱动FEL方案。该方案旨在提高发射度和高亮度的亚fs电子束。此外，LWFA和PWFA级联加速的方案将会极大提高等离子体自由电子加速品质，并有利于后续驱动辐射源等相关应用。
通过LWFA方案获得紧凑性电子加速，进而实现小型化FEL 激光的核心在于小型化加速器。这个关键因素由LWFA机制固有的电子之间的能散与发射度等制约。虽然目前LWFA性能还无法与现有产生类似波长辐射的自由电子激光器设备中的性能相匹配，但这种激光器代表着一项技术突破，在未来其稳定性、重复率以及电子束转移到辐射的效率可能会得到提高。
三、微型波荡器推动片上化自由电子相干光源发展
除了缩短加速器尺寸之外，文章还详细介绍了另外一个思路，即：优化改进波荡器结构。“微型波荡器”概念的提出是总结了近些年基于纳米光子学和新型光场调制电子辐射方案的一个扩展概念。认为新型光场缩短调制周期的同时也能降低高能电子的依赖。比如金属表面、石墨烯表面强束缚等离极化激元（SPP）、vdW等多层堆叠和二维材料体现出来原子周期量级激子极化子、表面声子激元等。新型的电磁模式不仅缩小了电子波荡调制的尺寸，同时还能缩放对高能电子的要求，这可以称得上是一举两得的解决方案。
以上这些新型的光子准粒可以对非相对论电子施加横向偏转调制或纵向减速调制，从而实现相干辐射的能力。通过构建这种微观电磁场的新型模式，获得了更小的空间周期、更低能量的电子调制、更短的相互作用距离，甚至谐波产生获得短波辐射等。正是这种光子准粒子模式下的新型光场所具备的优秀的光子-电子耦合调制特性，可以看作一种广义的“微型波荡器”，进而实现波荡器调制辐射的功能。
2004年，I.A. Andriyash[4]等人报道了超快激光驱动的纳米阵列微型波荡器实验验证（图4a），垂直于激光传播方向的金属纳米线阵列被激光场同时电离和加热，从而在金属丝表面建立一个强静电场。该配置下等效波荡器可以小到几微米，这使得电子横向空间周期缩短到的同时整个相互作用长度也会被压缩到非常短，其光子能量可达到12 keV到106 keV。
2017年，上海光机所田野[5]等首次提出基于金属丝波导的微型螺旋波荡器方案（图4b），并实验验证其远场太赫兹辐射模式。随后本团队研究进一步揭示了该过程实现高效辐射的物理本质，实验验证了丝波导上电子脉冲泵浦SPP并实现相干辐射放大的动力学全过程[6]。
2016年，Liang Jie Wong[7]等人提出了一种石墨烯作为微型波荡器平台实现了EUV-X射线辐射的方案（图4c）。石墨烯等离激元表现出了对光的强烈限制、波长压缩和场增强的特性，使得石墨烯成为了光学微型波荡器的佼佼者。
为进一步提高辐射光子产额，2019年，Andrea Pizzi[8]及其同事在提出提高电子-等离子体相互作用距离的方案——多层 “石墨烯等离激元波荡器”。理论计算表明，在5 MeV电子驱动条件下可以获得2.7~12 keV能量的光子辐射。
2019年，Nicholas[9]等人通过理论计算和实验观测，发现自由电子在掠过金属-介质材料表面的时候会受到真空涨落了的作用实现光子-极化子双发射。由于多种类型的光子准粒子都可以对自由电子施加周期调制力，因此这类电磁场调制方案都可以归纳到广义的“微型波荡器”概念中。
四、光学波荡器发展及其自由电子超辐射光源
该综述进一步介绍了逆康普顿（Inverse Compton Scattering，ICS）等效波荡器辐射机制。在自由空间中的强激光脉冲的电场和磁场分量亦可认为是一种广义的“光波荡器”。在自由电子静止坐标系下，自由电子受到激光场调制，给电子带来了横向的动量调制，它描述了自由电子在强激光场中在光场调制作用下产生的高能光子辐射。
文章表明，激光场平面波在数学形式上完全可以等效为波荡器辐射公式，即对应ICS等效波荡周期为对撞激光波长的一半即λL/2，等效磁场强度为激光磁场强度的两倍2B。当激光归一化矢势a0与静磁场波荡器参数K相比拟时，自由空间激光场就可以对自由电子产生能有效的波荡调制。而其波荡周期由激光波长决定，相比于静磁场波荡器小4~5个量级，因此对于高能电子辐射可以进入X射线波段-γ波段辐射。这是获得短波光源一种非常有效的手段。
进一步地，由于这种全光波荡器调制周期为光波长量级，因此相干辐射过程对自由电子脉冲宽度给出了较高要求。如果能够将这些自由电子都集中在一个非常窄的纵向尺度，小于目标辐射波长的一半τe<T/2=π/ω，此时波包内每一个电子的辐射可以认为是同相位的，相干叠加的状态。如果电子波包内含有Ne个电子，此时辐射的功率为单粒子辐射功率的倍。这种聚束的自由电子需要满足必要条件才可以实现在相干自发辐射或受激辐射的超辐射过程。
五、新型光源的发展及未来展望
李儒新院士和田野研究员团队系统回顾了自由电子产生相干辐射的研究背景及最新进展。综述文章从自由电子与新型光场相互作用辐射的机理出发，详细阐述了新型相干自由电子光源结合新型激光调控技术的最新成果。 当前阶段，激光尾场电子加速和光学近场构建的微型波荡器已经验证其小型化可行性。而未来，为进一步获得高调制增益过程实现更高能量的功率输出，自由电子超辐射已成为必经之路。将超快激光自由电子调制机制应用至辐射领域调制超短电子脉冲，是最值得期待的新型自由电子光源。
展望未来，自由电子辐射光源发展方向在于光场调制超短电子脉冲的紧凑型相干辐射源，并结合超短电子脉冲发展超辐射光源。该论断主要基于以下三个方面：
第一，场发射的超短超快电子源的进步，例如结合针尖和阵列结构发展的场发射电子源能够做到流强高脉冲短等特点；第二，光场调制的电子压缩聚束技术的进步，已报导全光调制实现百阿秒脉冲宽度的自由电子脉冲；第三，紧凑型短相互作用距离的微型波荡器新机制和实验方案的不断涌现。在超强超短激光发展的背景下，自由电子物理和强场激光物理的交叉融合使得我们可以开发一些新原理、新方案来推进新型电子加速和电子调控的新机制。这将推动线性自由辐射光源的发展和进化以开发新型的小型化的自由电子光源。
