數十年來，自由電子激光器（FELs）一直是科學界最強大的工具之一，讓研究人員能夠觀察原子運動、即時研究化學反應，並在最小尺度探測材料。然而，這些設備龐大，通常延伸數公里，因此稀有且昂貴。但情況即將改變。研究人員首次證實，一個更小型系統能夠連續運作 FEL 超過 8 小時。「我們報告了一個百太瓦激光系統穩定性的重大改進，從而成功演示了 LPA 驅動 FEL 的可靠長期運作」，研究作者指出。
此進展可能將這些強大光源從巨型設施帶入更易取得的實驗室，潛在重塑物理、化學、醫學及工業研究。
FEL 運作原理與小型化難題
FEL 核心是一束高能電子束，這些電子穿過稱為波動器的裝置，利用交替磁場使其來回擺動，從而發射光線，匯聚成強烈相干激光束，通常處於紫外線或 X 射線範圍。傳統上，產生此類高能電子束需長線性加速器，因此 FEL 設施極為龐大。一個有前景的替代方案是激光電漿加速器（LPA），它利用強大激光脈衝射入電漿（帶電粒子混合物），在數厘米內產生強電場，將電子加速至近光速，而非數公里長度。
然而，LPA 穩定性欠佳，激光焦點、能量或脈衝持續時間的微小波動，便會導致電子束每次射擊不一致。此噪音使長期可靠運作 FEL 難以實現，而這對實際應用至關重要。「LPA 在逐發穩定性上面臨固有挑戰，尤其在 FEL 的嚴格容差要求下」，研究作者表示。 為克服此問題，研究團隊在 Berkeley Lab 的 BELLA 中心增設五個主動穩定系統，實時監測並校正激光焦點、能量及脈衝長度等關鍵屬性。
他們還引入低功率「鬼束」，作為主激光束的複製品，用以探測主系統難以察覺的微小波動，從而快速調整維持穩定。這些改進合力產生每秒 1,000 次、能量達 100 MeV 的穩定電子束群，成功驅動 FEL 連續超過 8 小時，產生波長 420 納米的可見光。「LPA 源以 1 Hz 頻率提供 100 MeV 電子束，高穩定性持續超過 10 小時，實現無需操作員輸入的超過 8 小時連續 FEL 運作」，研究作者稱。
此成就是關鍵轉折。若 LPA 等緊湊系統能可靠驅動 FEL，技術將更平價且普及，開啟先進成像、材料科學、醫學研究及工業測試新應用。目前系統能量相對適中，產生可見光。要釋放 FEL 全部潛力，尤其 X 射線範圍，團隊目標提升至 500 MeV，此時可產生 20 至 30 納米光線，接近紫外線–X 射線邊界，多數高影響應用即在此區。雖然高能量穩定性仍具挑戰，但此研究證明核心問題（長期維持電子束穩定一致）已可解決。
研究刊登於 Physical Review Accelerators and Beams 期刊。
