加速距離縮短約一千倍？德法團隊首次在高增益區讓雷射電漿自由電子雷射穩定運作

如果你做過材料或分子結構分析，大概懂那種等待：向大型光源設施申請一次「光束時間」，往往供不應求、等待時間很長。德國與法國的團隊剛把這件事往前推了一步。

加速距離，約可縮短一千倍

自由電子雷射（FEL）能產生極短、極強的光閃，是研究原子、分子與新材料的利器。但全球大型使用者設施的光束時間供不應求，等待時間很長。德國亥姆霍茲德勒斯登羅森多夫研究中心（HZDR）與巴黎近郊的 SOLEIL 同步加速器團隊宣布，他們首次讓「雷射電漿自由電子雷射」在所謂高增益區穩定且可重現地運作，論文發表於《Physical Review Letters》。

FEL 的原理是先把電子加速到接近光速，再送進一排磁鐵組成的「波盪器」，強迫電子走出擺動軌跡、聚成一小團一小團，發出強烈而同調的光。過去要把電子推到那個能量，需要長達約兩公里的加速器。SOLEIL 的 Marie Labat 博士說：「在雷射電漿自由電子雷射裡，這段距離可以縮短約一千倍。」她形容電子「實際上是在電漿波上衝浪」。講白話，就是讓電子跳上一道由雷射打出來的波，幾毫米內就達到傳統加速器要走上好幾公尺才有的能量，整體加速距離約可縮短一千倍。

難的不是快，是穩

「穩定，也就是光閃在好幾小時甚至好幾天裡都維持高品質，對所有用到 FEL 的實驗都極為重要。」HZDR 輻射物理研究所的 Arie Irman 博士說。傳統大型設施早就做到，雷射電漿 FEL 一直沒做到。這次團隊用 HZDR 的高功率雷射 DRACO，以紅外脈衝在毫米厚的氣體束中造出電漿，產生波長 272 奈米的紫外光閃，並首次觀察到高增益區特有的功率指數成長。HZDR 物理學家 Susanne Schöbel 博士說：「我們成功把雷射精準調到與電漿匹配。」這並不容易，因為雷射與電漿的交互作用由難以控制的非線性過程決定。翻成人話：這不是轉個旋鈕就好，偏一點，整條波就不聽話。

下一步瞄準極紫外光

Irman 表示：「這個紫外波長的光閃只是開始。」團隊接下來的目標是極紫外光（EUV），報導指出這類輻射可能用於更有效率地檢測奈米結構電腦晶片的品質。這條線於是從電漿物理接上了半導體製造：若緊湊型光源真的成熟，晶片品管與材料分析或許不必再共用同一份排隊名單。

不過帳還沒算完。研究者自己也說，還要繼續優化雷射與電漿的交互作用以及波盪器路徑，以提升光閃品質；報導也提到，緊湊型雷射電漿 FEL 要能補充大型設施，肯定還需要幾年。

資料來源

Phys.org：Speedy electrons for brilliant laser light: Research paves the way for compact, inexpensive free-electron lasers（2026-09-14）
https://phys.org/news/2026-09-speedy-electrons-brilliant-laser-paves.html

論文：Marie Labat et al., “Laser-Plasma Based Seeded Free Electron Laser in the High-Gain Regime,” Physical Review Letters (2026)．DOI: 10.1103/ndsf-kyr4
研究單位：Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）輻射物理研究所、法國 Synchrotron SOLEIL；研究者：Arie Irman、Marie Labat、Susanne Schöbel