粒子加速器在科学研究中一直发挥着不可替代的作用，统计表明1939年以后的诺贝尔物理奖有1/3和加速器直接相关。加速器产生的相对论电子束尽管在保守力的作用下在6维相空间具有恒定的体积，其在（x,y,z）三个平面的相空间面积及具体分布却可以改变，对电子束相空间的分布进行先进操控可以大幅提高这类大科学装置的性能。

继2014年7月作为共同通讯作者在《Reviews of Modern Physics》发表关于电子束相空间操控的综述文章“Beam by design: laser manipulation of electrons in modern accelerators”[RMP 86, 897 (2014)]后，向导老师课题组2014年9月和10月在《Physical Review Letters》上连续发表3篇有关基于加速器的超快科学装置的研究进展。

上海交大正在承担的基金委重大仪器专项“兆伏特超快电子衍射与成像系统”的衍射模式时间分辨率拟达到50飞秒，为此需要发展超高时间分辨测量方法用于测量电子束脉宽。向导老师课题组提出了一种新方法有望获得几飞秒的时间分辨率，在实验设备尚未完全到位的条件下，课题组和斯坦福直线加速器中心合作利用其装置对该方法进行了验证。实验中获得了约2飞秒的分辨率（同能区电子束测量的世界纪录），并首次在时域下观察到自由电子激光中激光调制相对论电子束所产生的间隔为激光波长的微束团（下图中每个黄色微束团间隔为激光波长），该工作发表在2014年10月30日《Physical Review Letters》[PRL 113, 184802 (2014)]。向导老师为该论文第一作者兼共同通讯作者，上海交大为文章的第一单位及共同通讯单位。

利用激光调制相对论电子束可以产生携带激光高次谐波分量的密度调制，并用以产生全相干的x光脉冲，然而激光调制所引起的电子束能散增加会限制所能获得的谐波数。向导老师课题组和斯坦福大学研究人员合作提出了利用纵向空间电荷力降低电子束能散的新方法，该方法有望在提高激光调制所产生的谐波数的同时降低电子束能散，使得外种子型自由电子激光无需级联即可获得软x射线波段的全相干脉冲，该工作发表在2014年9月22日的《Physical Review Letters》[PRL 113, 134802 (2014)]。

携带轨道角动量（orbital angular momentum）的x光具有广泛的应用，近年来成为超快科学领域的研究热点。向导老师课题组和斯坦福大学研究人员合作测量了螺旋线型扭摆器辐射所产生的辐射光的二次谐波分量，并利用干涉的方法证明了其携带轨道角动量，该工作发表在2014年9月24日的《Physical Review Letters》[PRL 113, 134803 (2014)]。

本系列工作得到了国家自然科学基金（Grant No. 11327902）的资助。