青春榜样 |“国家奖学金获得者”蒋康男：行而不辍 履践致远

蒋康男在中学时期就对理科的学习表现出浓厚的兴趣，在高考填志愿时毫不犹豫地将物理类专业作为首要选择，立志从事物理方向的研究。从本科到研究生，他始终追随着这个目标。他顺利通过考试，成为上海科技大学-中国科学院上海光学精密机械研究所联合培养研究生。

在与导师李儒新院士沟通畅谈后，他选择了强场激光物理作为自己的研究方向。简单来说，当一束强激光入射至等离子体中，其有质动力将排开背景等离子中的电子，进而激发出大幅的尾波场用于加速粒子。由于激光尾波场加速电子束具有高流强、短脉宽的特点，使其在高亮度X射线、γ射线以及台式化自由电子激光的研制等方面具有广阔的前景。用导师李儒新的话来说“高性能激光尾波场电子加速这个研究方向既是科学前沿问题，又有重要的应用价值。”蒋康男对这个科研方向充满兴趣，本科光电专业学到的知识恰好也和激光尾波场电子加速及辐射研究相关，从此全身心投入了强场激光物理的研究和学习。

蒋康男在上科大物质学院认真学习理论课程，在读研初期打下了坚实的专业基础。当时蒋康男选修了李刚教授开设的课程“量子场论”，这是一门理论性较强的课程，整一学期李刚教授都采用最传统的板书形式，严谨地从基础公式开始，带学生循序渐进地推导理解。有一次蒋康男在食堂偶遇李刚教授，便同席就餐，期间谈到他的科研经历， “基于现象给出合理解释，探索背后物理机制，对于我来说是非常有意思的事”。那一刻，李刚教授眼中是闪着光的，这也让蒋康男明白坚于心之所向是一件快乐的事。

李刚教授 “量子场论”课堂

随后蒋康男和团队成员一起，开始尝试电子传输的优化。激光尾波场加速后的电子束发散角大，如果束团没有得到良好传输，电子束横向尺寸会在短距离内从数微米增加至数毫米，不利于辐射段产生指数增益。此外，长距离传输也对电子发射度提出了要求，因此发射度的优化是十分必要的。发射度是表征电子束横向品质的重要参数，品质优化依赖于精确的诊断方案，而尾波场的不稳定性导致电子束发次间存在抖动，因此如何实现电子束横向发射度高分辨率的单发测量，对电子束发射度进一步优化具有重要意义。

初接触这个课题的蒋康男尝试了辐射反演法等多种方法，在导师的指导下，最终他针对上述问题设计了一种适用于激光尾波场加速电子束横向切片发射度的单发诊断方案。这种方法主要基于一条聚焦传输束线，对于不同排布的装置具有较高适用性。方案测量精度可以达到10 nm量级，可以满足低发射度电子束测量要求。此外，考虑到这是一种非拦截式的诊断方案，不会影响电子束能量、能散、电量等其他参数的测量，有利于电子束综合品质优化。最终，优化后在实验上测得发射度为0.27 mm mrd（millimeter milliradian简写，发射度单位）。

尽管发射度优化至亚μm量级，但初始mrad量级的发散角并不利于电子束长距离传输。蒋康男在实验室里昼夜鏖战，多次尝试，最终功夫不负有心人，在原有基础上进一步优化了束流传输系统，优化后的束线使电子束在横向上保持良好聚焦，辐射段电子束横向尺寸保持在100 μm以内。

上述两项工作为课题组前期开展的实验提供了更全面的实验结果。最终，团队整项课题实现了基于激光尾波场加速电子束驱动的自发辐射放大实验验证，为台式化自由电子激光的研制奠定主要基础，成果发表于国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)，蒋康男也被列为共同作者。在导师的带领和团队的努力下，这项突破性成果获得了2021年中国十大光学进展、2021年中国光学十大社会影响力事件（Light10）提名奖等荣誉。

实验数据处理

刚结束了第一轮实验，蒋康男很快便迎来了新的挑战：高能电子束加速实验。基于激光尾波场的高能电子束在未来有望应用于台式化硬X射线自由电子激光和小型化粒子对撞机。然而受限于泵浦损耗、激光衍射、电子失相等因素，如何在实验上实现单级5–10 GeV能量增益，一直是激光尾波场加速领域的重要课题。前期课题组在高能电子加速方面积累的经验并不多，有许多问题尚需探索。之前，经过三轮光路系统改进以及多轮放电实验探索，尽管师生们付出了很大努力，但仍不足以达到预期结果，特别是靶寿命严重制约着实验效率。

看着重要的科研进展缓慢，同时项目结题时间越来越近，大家心急如焚。为了加快实验进度，蒋康男和课题组同学便入住上海超强超短激光装置（SULF）的实验楼。针对前期遇到的问题总结方法，着手从头开始解决难题。经过一个多月的尝试，通过靶材更换和靶结构优化，将靶寿命提高至原先5倍以上。为了提高最后一轮实验效率，大家团结一致、铆足干劲，从头脑风暴中迸发出了许多实验方案，并通过可行性分析，从众多提案中选取了可行性最高的三套方案。最终这三套方案中有两套成功实现了5 GeV以上的能量增益，且加速长度只有数厘米。

这项成果可谓来之不易，如果基于传统射频电子加速原理，要获得数GeV的高能电子束，例如上海光源的电子束能量为3.5GeV，所需的加速器长度要达到数百米。激光电子加速器可以把加速长度缩小3个数量级以上。在顺利攻关难题后，团队又通过后续实验验证了其中的机制，最终顺利通过了项目验收。作为团队的一份子，蒋康男在奋斗中收获了喜悦和进步。

项目验收现场

蒋康男代表研究团队领奖（左六）

“目前激光电子加速器的主要挑战是获得稳定的、高电荷量和超低能散度的高品质电子束。” 导师李儒新说，“蒋康男同学凭借对科学问题的浓厚兴趣、潜心钻研精密实验的精神和技术，正在朝着这个目标努力前进。预祝他再接再厉，取得成功。”