微观世界的闪光灯录像机——自由电子激光装置

罗会仟 

光，可能是人们最为熟悉的物质之一。因为有了光，宇宙各处有了能量，世界显得鲜活多彩，万物呈现出各种尺寸、形状和颜色。如今我们已经习惯用相机拍照或拍视频来记录宏观事物，科学家们手上也有一种超快超强的微观世界录像机，它被称为自由电子激光装置。

那什么是自由电子激光？它和普通的激光有何不同之处？为什么它能够给微观的分子或原子录像呢？

光是人类捕捉世界信息的最重要的工具，基于可见光的显微镜和望远镜，让人类看到了渺小的微生物和遥远的恒星。但要进一步洞悉材料内部原子的组成和排列方式等微观信息，就要依赖于波长更短的X射线。自1947年始，科学家们造出了从一代到四代的同步辐射光源，把光的亮度不断提升，特别X射线的“拍照”分辨率达到了前所未有的精度。然而同步辐射光源的X射线并不是相干光源，如果用于给原子分子“拍视频”则性能欠缺了许多。

科学家们想到了相干性最好的光源——激光。常规的激光起源于原子、分子或固态能级上的电子在粒子数翻转之后产生的量子受激辐射，也就是属于束缚电子激光，但这种模式并不能产生极短波长的X射线。要把X射线变成一束具有相干性的激光，需要借助高速运动的自由电子。利用直线加速器把电子束加速到接近光速，然后将它们放入周期性变化的横向磁场（也称之为波荡器）里振荡起来并不断对外自发辐射，自发辐射的光又与电子束本身反复耦合，挑选出特定能量的光实现不断增益，直到饱和状态并输出，这就是一束具有相干性的自由电子激光。引入高次谐波产生作为种子光，还可以进一步改善自由电子激光的相干性。

1977年4月美国斯坦福大学的科研人员搭建了第一台自由电子激光振荡器，基于加速器的方式实现了远红外自由电子激光。21世纪初，德国汉堡电子对撞中心（DESY）的科学家研制出了X射线自由电子激光装置，其亮度相当于自然光强度的1000万倍。目前国际上已建成的自由电子激光装置有很多，如德国电子同步加速器实验室的软X 射线自由电子激光装置(FLASH)、美国国家加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)、欧洲X射线自由电子激光装置(European-XFEL)、韩国浦项自由电子激光装置(PAL-XFEL)、及瑞士自由电子激光装置(SwissFEL)等。

我国早在1994 年就建成了中红外波段的北京自由电子激光装置(BFEL)；2016年建成的极紫外波段大连相干光源(DCLS)，是世界上最亮的极紫外光源；2017年在成都建成高平均功率太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)，同年上海软X射线自由电子激光试验装置正式出光，并将进一步升级为用户装置(SXFEL)；2018年，上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)开工建设，并将于2024年9月安装用户装置。位于上海张江科学城的硬X射线自由电子激光装置，全长3.11公里，含有1台8 GeV的超导直线加速器、3条波荡器线、3条光学束线、1个100 PW超强超短激光系统，以及首批10个实验站，将兼具纳米级超高空间分辨能力和飞秒级超快时间分辨能力。

自由电子激光兼顾了普通激光的相干性和同步光源的高能量、高亮度、高分辨等优势，可以说是超强超快超高能的微观世界“闪光灯录像机”，在能源、生命、材料、物理、化学等多个学科都有尖端应用。它能捕捉到化学键断裂过程的原子运动、原子分子在极端条件下的奇异物态、复杂分子的电荷输运过程、相变过程中电子或原子的超快动力学过程等等。对于微小蛋白质晶体或纳米结构材料，超短超强飞秒X射线脉冲能够在损伤样品之前，就获得晶体的3D结构甚至电子态信息，拍出来的视频可谓是“快、准、清”。

自由电子激光技术仍然处于蓬勃发展的阶段，未来必将极大促进基础科研的发展和前沿技术的发明，使人类对于物质世界的认识迈入一个崭新的阶段。

【作者注】本文刊载于科普中国，此文稿件原文。