自由電子激光是利用自由電子為工作媒質產生的強相干輻射，它的產生機理不同于原子內束縛電子的受激輻射。由于它的工作介質是自由電子，因此稱為自由電子激光，這種激光的特點是激光波長和脈沖結構可以根據需要進行設計，并且能夠在大范圍內連續調節，有著重要的應用前景。

 中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室徐至展、李儒新、劉建勝等在超強超短激光驅動的小型化自由電子激光新概念研究方面取得重要進展，提出并實現了一種微型、瞬態的波蕩器方案。研究人員利用超強超短激光與金屬絲相互作用，在產生高能電子束的同時，巧妙地利用電荷分離效應構建了微型、瞬態的電子波蕩器，并基于該全新波蕩器方案獲得了非線性放大的強THz輻射輸出。這一最新研究成果2月27日在線發表于《自然-光子學》(Nature Photonics)。

 自由電子激光被稱為第四代光源，可以提供從遠紅外到X射線波段的高亮度相干輻射，在物理、化學、材料科學、生命科學等領域具有前所未有的革命性應用價值。傳統的自由電子激光基于射頻加速器產生高能電子束，再利用周期性排布的磁鐵構成的波蕩器對電子束進行扭擺與調制，最后輻射出高亮度相干輻射。無論是射頻電子加速器或由周期性磁鐵構成的電子波蕩器都是體積龐大，造價昂貴。發展小型化、低成本的新一代自由電子激光，包括臺式化的電子加速器和波蕩器是科學界一直夢寐以求追逐的重大目標。

 飛秒強激光驅動的金屬絲波導螺旋波蕩器實現強THz輻射的系統示意圖

 上海光機所強場激光物理國家重點實驗室在超強超短激光驅動的臺式化高能電子加速器和波蕩器新原理、新概念研究方面進行了長期不懈的探索。繼2016年在超強超短激光驅動的激光尾波場電子加速獲得創紀錄高亮度高品質電子束重大成果之后，該研究團隊又在超強超短激光驅動的微型、瞬態的波蕩器新概念研究方面取得重大原創突破，首次成功構建了全光驅動的金屬絲波導螺旋波蕩器并實現了放大的強THz輻射輸出。在該項工作中，研究人員利用一束超強超短激光輻照金屬絲靶，通過激光與等離子體相互作用產生定向的高能電子發射，同時基于電荷分離在金屬絲上瞬間產生一個極強的徑向瞬態電場；該電場導引沿金屬絲方向附近發射的大量高能電子沿金屬絲傳輸并進行周期性的螺旋運動——相當于電子束在一微型波蕩器中的螺旋運動。這種運動產生了強THz輻射，轉換效率達到1%以上。實驗中，電子束能量~100 keV，瞬態波蕩器周期約650微米；通過改變金屬絲的直徑可以改變徑向電場強度，從而改變波蕩器周期，獲得了頻率可調諧的近單周期寬帶THz輻射；通過改變金屬絲的長度，首次觀測到了THz輻射強度隨傳輸距離的非線性放大效應，放大倍數達到10倍以上。這種強THz輻射源有望在材料的探測研究方面獲得重要的應用。該項研究中電子束和波蕩器都是由同一束激光同時產生，這種波蕩器新概念有望進一步拓展，在短波長甚至X射線自由電子激光等領域得到重要應用。

 論文審稿人高度評價了這一成果，指出“該論文描述了一種產生高能準單周期THz脈沖的新方法。……這一概念令人驚嘆，……是產生THz的一個重要并高效的新方法。”“該論文不僅闡明了實驗產生的THz輻射譜與金屬絲直徑的依賴性，而且也闡明了THz輻射的起因。……該文將會吸引包括激光器、電動力學（THz波）、電子束、波蕩器及自由電子激光等領域研究者的興趣。”

 在該項研究中，南開大學劉偉偉等為THz輻射的測量提供了先進的測試儀器并合作開展了相關實驗。

 該項研究得到了國家自然科學基金、中科院先導B類專項等項目的支持。