X射线自由电子激光：原理、现状及应用

20 世纪70 年代，研究人员提出了自由电子激光的概念并建造了远红外自由电子激光器。随后，许多国家都开展了相关的理论研究与实验探索，并于21 世纪初建造了X 射线波段的自由电子激光器。X射线自由电子激光器是一种基于直线电子加速器的大型科学研究装置，可以产生波长可调的超短超强相干X射线激光脉冲。在过去的十多年中，X 射线自由电子激光引起了科学界的广泛关注，各个国家的大力投入和支持使其在很短的时间内取得了迅速的发展，在物理、化学、生命科学、材料科学等领域都发挥了重要的作用。本文将简要介绍X射线自由电子激光的基本原理、发展现状、及其在各学科领域中的应用。

一、X 射线自由电子激光简介

光子是人类获取信息、认知世界的最重要的媒介。最初人们借助阳光看到缤纷的世界，而后发明的望远镜和显微镜将人类的认知范围拓展到了广袤的宇宙和细小的微观世界。但是，受限于光学衍射极限，人们无法借助光学仪器观测原子尺度的微观结构，首先突破这一限制的是X射线。1895 年，伦琴在研究阴极射线的过程中发现了X 射线，随后，X射线的相关研究和应用快速开展。由于X射线的巨大影响，伦琴获得了1901 年第一届诺贝尔物理学奖。X射线帮助科学家们在原子层次认识物质世界，催生了包括X射线晶体学在内的一批新颖的研究领域。但是当时产生的X射线没有相干性、亮度不高、偏振性也很差，这在很大程度上限制了其应用。20 世纪中叶，同步辐射的发现弥补了之前X射线在亮度和偏振性方面的不足，它是接近光速的带电粒子在径向加速时沿切线方向发出的电磁辐射，并且其电磁辐射的波长范围可以通过控制电子速度和磁场强度进行调整。同步辐射光源的出现使得X射线晶体学得到了极大的发展，被广泛应用于生命科学和材料科学等领域，到目前为止，绝大多数蛋白质的结构仍然是通过X 射线来测定的。但是同步辐射光源产生的X射线依然不具有相干性。不过，在同步辐射出现的同一时代，人类发明了一种高亮度全相干的新型光源——激光。经过半个多世纪的快速发展，激光已经广泛的应用于科学研究和日常生活中，发挥着不可替代的作用。激光是在增益介质中通过受激辐射产生的，一般特定的增益介质只能产生特定波长的激光。而X射线由于波长极短，目前仍未发现可以用于产生X射线的增益介质，故难以发展X射线激光器。

在20 世纪70 年代，斯坦福大学的研究人员提出了自由电子激光(FEL)的概念并发明了远红外自由电子激光器。自那以后，许多国家都开展了关于自由电子激光的理论与实验研究，自由电子激光器向着更高能量、更短波长的方向稳步发展。21 世纪初，德国率先建造了X 射线自由电子激光器(XFEL)。顾名思义，XFEL 就是利用自由电子作为介质来产生X射线的激光器。它天然地同时具有X射线和激光的优点，与典型的第三代同步辐射光源相比，XFEL的峰值亮度高9 个数量级，脉冲宽度短3 个数量级，相干性提高3 个数量级以上。这些特点突破了现有常规激光和同步辐射光源的许多禁区，使得XFEL自诞生之日起就备受科学研究者的青睐。

二、X 射线自由电子激光基本原理

不同于传统激光器，FEL的产生过程中没有增益介质，也不需要粒子数反转。而是通过将加速至接近光速的电子束的动能转换为光子能量来产生高亮度的相干激光脉冲。FEL 的波长能够覆盖从远红外到X射线波段的范围，并且可以通过改变电子能量、磁场周期和强度来改变输出激光的波长。FEL 的特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计，并可在大范围内连续调节。按照放大增益，可将FEL分为低增益和高增益FEL装置。振荡器型FEL是典型的低增益FEL装置，由于缺乏适用于真空紫外及更短的波长的反射材料，振荡器型FEL 多用于THz 和远红外波段。高增益FEL 装置一般包含电子枪、直线加速器及波荡器等组成部分。目前，世界上运行及建设中的XFEL装置主要包括自放大自发辐射(SASE)和高增益高次谐波放大(HGHG)类型。自放大自发辐射的基本原理是直线加速器中的电子束被加速至接近光速，然后该相对论电子束在周期性横向磁场(波荡器)作用下以近似正弦轨迹运动，并在电子束运动的切线方向产生自发辐射，初始的自发辐射是低能不相干的且在电子束内均匀分布；沿着电子束运动方向的自发辐射能在波荡器中与相对论电子束持续耦合，具体来说，发射的光子在每个波荡器周期内会与电子相互作用，使得电子束密度被自发辐射周期性地调制，并在足够长的波荡器内形成微聚束。微聚束又反过来仅放大某些能量的光子，从而加强自发辐射形成正反馈放大直到系统进入饱和状态，得到FEL(如图1 所示)。SASE 模式的优点是输出波长连续可调，并且结构简单；缺点是其中心波长和脉冲能量的抖动都较大，并且所产生的辐射是部分相干的。为了改善高增益XFEL的相干性，研究人员尝试引入外种子激光。由于缺乏X射线波段的种子激光，只能采用高次谐波产生作为种子光。但是由于高次谐波技术目前还不成熟，所以直接种子型XFEL的研发并不是很顺利。研究人员发现当电子束中包含微聚束时，可以利用共振在种子激光高次谐波频率的波荡器来放大该高次谐波辐射，从而发展出了高增益高次谐波放大的外种子型FEL。为了将HGHG进一步向X射线波段推进，研究人员又进一步提出了级联HGHG和回声谐波产生(EEHG)运行机制。

　　

图1.电子束在波荡器中通过自放大自发辐射产生FEL(该图选用自物理, 2018,47(8):481，并进行了修改)