快、準(zhǔn)、清！這臺(tái)“錄像機(jī)”能給原子分子錄像！

作者：羅會(huì)仟 中國(guó)科學(xué)院物理研究所 研究員

光，可能是人們最為熟悉的物質(zhì)之一。因?yàn)橛辛斯?，宇宙各處有了能量，世界顯得鮮活多彩，萬(wàn)物呈現(xiàn)出各種尺寸、形狀和顏色。如今我們已經(jīng)習(xí)慣用相機(jī)拍照或拍視頻來(lái)記錄宏觀事物，科學(xué)家們手上也有一種超快超強(qiáng)的微觀世界錄像機(jī)，它被稱為自由電子激光裝置。

那什么是自由電子激光？它和普通的激光有何不同之處？為什么它能夠給微觀的分子或原子錄像呢？

大家好！我是中國(guó)科學(xué)院物理研究所的研究員——羅會(huì)仟。今天我們一起聊聊同步輻射之外的“第四代光源”——自由電子激光裝置。

光是人類捕捉世界信息的最重要的工具，基于可見(jiàn)光的顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡，讓人類看到了渺小的微生物和遙遠(yuǎn)的恒星。但要進(jìn)一步洞悉材料內(nèi)部原子的組成和排列方式等微觀信息，就要依賴于波長(zhǎng)更短的X射線。自1947年始，科學(xué)家們?cè)斐隽藦囊淮剿拇耐捷椛涔庠?，把光的亮度不斷提升，特別X射線的“拍照”分辨率達(dá)到了前所未有的精度。然而同步輻射光源的X射線并不是相干光源，如果用于給原子分子“拍視頻”則性能欠缺了許多。

科學(xué)家們想到了相干性最好的光源——激光。常規(guī)的激光起源于原子、分子或固態(tài)能級(jí)上的電子在粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)之后產(chǎn)生的量子受激輻射，也就是屬于束縛電子激光，但這種模式并不能產(chǎn)生極短波長(zhǎng)的X射線。要把X射線變成一束具有相干性的激光，需要借助高速運(yùn)動(dòng)的自由電子。

自由電子激光的基本原理

利用直線加速器把電子束加速到接近光速，然后將它們放入周期性變化的橫向磁場(chǎng)（也稱之為波蕩器）里振蕩起來(lái)并不斷對(duì)外自發(fā)輻射，自發(fā)輻射的光又與電子束本身反復(fù)耦合，挑選出特定能量的光實(shí)現(xiàn)不斷增益，直到飽和狀態(tài)并輸出，這就是一束具有相干性的自由電子激光。引入高次諧波產(chǎn)生作為種子光，還可以進(jìn)一步改善自由電子激光的相干性。

高次諧波下的光束

1977年4月美國(guó)斯坦福大學(xué)的科研人員搭建了第一臺(tái)自由電子激光振蕩器，基于加速器的方式實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)紅外自由電子激光。21世紀(jì)初，德國(guó)漢堡電子對(duì)撞中心（DESY）的科學(xué)家研制出了X射線自由電子激光裝置，其亮度相當(dāng)于自然光強(qiáng)度的1000萬(wàn)倍。目前國(guó)際上已建成的自由電子激光裝置有很多，如德國(guó)電子同步加速器實(shí)驗(yàn)室的軟X 射線自由電子激光裝置(FLASH)、美國(guó)國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的直線加速器相干光源(LCLS)、歐洲X射線自由電子激光裝置(European-XFEL)、韓國(guó)浦項(xiàng)自由電子激光裝置(PAL-XFEL)、及瑞士自由電子激光裝置(SwissFEL)等。

荷蘭的自由電子激光裝置FELIX

我國(guó)早在1994 年就建成了中紅外波段的北京自由電子激光裝置(BFEL)；2016年建成的極紫外波段大連相干光源(DCLS)，是世界上最亮的極紫外光源；2017年在成都建成高平均功率太赫茲自由電子激光裝置(CTFEL)，同年上海軟X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置正式出光，并將進(jìn)一步升級(jí)為用戶裝置(SXFEL)；2018年，上海硬X射線自由電子激光裝置(SHINE)開(kāi)工建設(shè)，并將于2024年9月安裝用戶裝置。

位于上海張江的硬X射線自由電子激光裝置分布示意圖

位于上海張江科學(xué)城的硬X射線自由電子激光裝置，全長(zhǎng)3.11公里，含有1臺(tái)8 GeV的超導(dǎo)直線加速器、3條波蕩器線、3條光學(xué)束線、1個(gè)100 PW超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)，以及首批10個(gè)實(shí)驗(yàn)站，將兼具納米級(jí)超高空間分辨能力和飛秒級(jí)超快時(shí)間分辨能力。

自由電子激光兼顧了普通激光的相干性和同步光源的高能量、高亮度、高分辨等優(yōu)勢(shì)，可以說(shuō)是超強(qiáng)超快超高能的微觀世界“閃光燈錄像機(jī)”，在能源、生命、材料、物理、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科都有尖端應(yīng)用。它能捕捉到化學(xué)鍵斷裂過(guò)程的原子運(yùn)動(dòng)、原子分子在極端條件下的奇異物態(tài)、復(fù)雜分子的電荷輸運(yùn)過(guò)程、相變過(guò)程中電子或原子的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程等等。對(duì)于微小蛋白質(zhì)晶體或納米結(jié)構(gòu)材料，超短超強(qiáng)飛秒X射線脈沖能夠在損傷樣品之前，就獲得晶體的3D結(jié)構(gòu)甚至電子態(tài)信息，拍出來(lái)的視頻可謂是“快、準(zhǔn)、清”。

自由電子激光技術(shù)仍然處于蓬勃發(fā)展的階段，未來(lái)必將極大促進(jìn)基礎(chǔ)科研的發(fā)展和前沿技術(shù)的發(fā)明，使人類對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)邁入一個(gè)嶄新的階段。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：羅會(huì)仟

審核：姬揚(yáng) 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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