探索世界的进程中，有一束不可替代的光

林梅

本篇报道围绕2018年度上海市自然科学奖一等奖项目“全相干自由电子激光的前沿实验研究与新原理探索”展开，该奖项由中国科学院上海应用物理研究所赵振堂院士领衔的团队获得。

光谱图

X 射线的发现及应用的开拓

X 射线最早由德国科学家伦琴在研究阴极射线的时候偶然发现。他揭示了X 射线的穿透特性。利用这种特性，他拍下了一位女士手部骨骼的照片。这张带着戒指的照片，成为人类利用X 射线的开端。我们今天也常常利用X 射线穿透肌肉的能力，进行各种医学检测。

X射线能检测的不仅有我们的身体，还有物质各种尺度的内部构成直至微观结构及动态变化。因为X 射线的波长范围为0.001纳米至10纳米（即0.01～100埃），与原子的直径大小（～1 埃）正好相符，可以将X 射线作为探针，用来探测物质的微观世界，看看内部的原子是怎么排列的以及是如何运动的。

在过去的半个世纪，人们通过相对论电子的同步辐射来产生高亮度X射线。所谓同步辐射，其实就是一个超级大的“电磁炉”：利用接近光速运动的带电粒子在加速运动的时候会释放电磁波的性质，让带电粒子（一般是电子）沿弧形轨道运动，然后在运动的切线方向辐射电磁波，电磁波的波段可覆盖从太赫兹到X 射线的区域。上海张江的“上海光源”，就是第三代同步辐射光源，它成为物理学、化学、生物学、材料学等众多领域的科学家提供不可或缺的研究利器。

但是，与传统激光相比，同步辐射X 光源没有强相干性。这一点大大限制了它的应用。

所谓相干性，我们可以类比两列机械波发生显著干涉现象的条件：频率相同，相位差恒定，振动方向一致。其实，光波的相干性也是类似的。通常，两个独立光源发出的光，不具备这样的条件，不会产生明显的干涉条纹。

而激光为什么可以具有相干性呢？因为本质上，激光的产生是一个受激辐射的过程，当电子被激励到一个高能级的时候，会在某个特定光子的激发下，跃迁到低能级，并且释放出一个和入射光子完全一致的光子，两个光子各方面步调完全一致，也就是具有相干性。（激光的相干性包括空间相干性和时间相干性两方面。空间相干性与发散角和光场模式有关，时间相干性与单色性有关。）可以说，激光器就是一个光子的克隆机，不停地克隆出大量特定能量的光子。

如果能造出X 射线波段的激光，具备高亮度、高相干性、超短脉冲等特点，那将会大大拓展X 射线的应用场景。

1971年，一位叫作约翰•梅迪（John M. J. Madey）的年轻人，提出了不同于传统激光的光放大机制。他发现，在周期性磁场中摇摆运动的高能电子束与光之间也可以发生相互作用，进而辐射和放大出相干光。因为这种机制中的电子是不被束缚在原子核周围的自由电子，所以人们正式将其命名为自由电子激光。只是，由于在短波长没有合适的反射介质，在长达二三十年的时间里，自由电子激光一直停留在红外和可见光波段，没有在短波长方向取得突破性进展。为了将自由电子激光推向短波，人们拓展了思路。

人们发现了产生自由电子激光的新机制，在一个足够长的波荡器里面，电子束和自发辐射同时向前运动时，可以和自发辐射产生一种神奇的相互作用，它们相互激发，然后将辐射放大直至饱和，不需要反射介质。脱离了反射介质这个束缚，自由电子激光的波长便没有了限制，这种自我激发的方式，人们称之为自放大自发辐射。但是，自放大自发辐射由于是靠初始噪声起振的，经过一个持续的放大过程之后，相干性总不是那么理想，尤其是时间相干性。

所以，人们又引入了传统激光来帮助解决问题。人们将传统激光当作外来的“种子”，让它与电子束同时进入波荡器产生共振，由于“种子”的存在，可以抑制电子束初始噪声的影响，这样的方式被叫作外种子型自由电子激光。只不过，这时，输出波长与“种子”的波长息息相关。想要产生短波长的输出光，就要求有短波长的“种子”激光。那么，短波长的“种子”如何得到，就成了关键。

好在，科学家发现了一个天然就存在的好“种子”。那就是电子束中的微聚束。电子束中的微聚束天然地含有高次谐波分量，我们只需要想办法产生这个微聚束，然后把特定的高次谐波成分挑选出来进行放大，就可以来产生短波的种子型自由电子激光啦。

当然，这还不能让科学家满足，不断追求突破的科学家希望得到更短的波长。于是，又对上面这种自由电子激光进行了改造，发明了级联型高次谐波放大机制和回声谐波放大机制。所谓级联型高次谐波放大机制，其实理论上很简单，就是把上面说的高次谐波放大方法做成多级串联，首尾相连，前面一级的输出光作为下一级的“种子”，这样，每经过一级，输出波长缩短一点，最终得到我们要的X 光波。

原理上简单，但是实现起来却难度不小。比如，电子束在与激光相互作用的时候，难免品质会变差，为了每一级都保持电子束和激光配合完好，对电子束和激光的同步技术、品质掌握都提出了很高的要求。上海的一个研究团队在这方面取得了突破：上海应用物理研究所于2009年建成的我国首个高增益自由电子激光综合研究平台 — —上海深紫外自由电子激光装置SDUV-FEL，成功进行了两级级联的原理验证实验，成功利用1 200 纳米的种子光，输出了第一级600纳米、第二级300纳米的全相干辐射。

而另一方面，回声谐波放大机制的路径也得到了科学家的关注。这个模式是2009 年美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）实验室的根纳季•斯图帕科夫（Gennady Stupakov）博士提出的，一经提出，就吸引了全世界所有自由电子激光领域科学家的目光。很快，一些原理验证实验展开。

回声型谐波放大机制，主要是为了得到超高次的谐波辐射，电子束相空间被拉成一条条“能带”，这种特殊结构的电子束和激光相互作用后，类似回声效应，有可能产生几十次甚至上百次的高次谐波。最早验证回声谐波机制的实验室有美国斯坦福直线加速中心（SLAC）国家加速器实验室的下一代直线对撞机实验加速器（NLCTA）装置，还有中国上海的SDUV-FEL。

我们的SDUV-FEL，首次在国际上实现了3 次谐波的回声型谐波放大。实验表明，在适当的条件下，相对于传统种子型机制，回声型谐波放大机制的输出光相干性、带宽、波长稳定性上都有更好的表现。这项实验的成果发表在2012 年的《自然-光子学》（Nature Photonics）上，并被选为封面文章，同期刊登了对项目负责人赵振堂的专访，体现了回声谐波放大机制在原理验证方面的重要成果对当前及未来自由电子激光的发展具有的重要意义和深远的影响。此后，该团队在新原理探索方面，还提出了级联型回声谐波放大、相位汇聚型谐波放大机制等新型自由电子激光工作模式。

赵振堂院士和项目骨干在工作现场

人类努力追求更好光源

高增益自由电子激光原理的成功验证直接催生了21 世纪新一代大型自由电子激光科学实验装置的建设和快速发展。2006 年世界首台软X 射线自由电子激光FLASH 在德国建成，2009 年硬X 射线自由电子激光装置LCLS 在美国建成，人类进入了X 射线自由电子激光时代。随后意大利的种子型软X 射线自由电子激光FERMI，日本、韩国、瑞士和欧盟的硬X 射线自由电子激光装置SACLA、PAL-XFEL、SwissFEL 和European XFEL 相继建成，如火如荼。

我国的高增益自由电子激光发展也进入了快车道，上海软X 射线FEL 装置SXFEL 和大连极紫外相干光源DCLS等相继建设和调试及应用。SXFEL 位于上海张江科学城的上海光源园区，集中于外种子型X射线自由电子激光的研究，将最先进的加速器技术、激光技术与自由电子激光新原理、新技术相结合，并为各个科研领域的研究人员提供服务。

SXFEL 装置的研制分为试验装置（SXFEL-TF）和用户装置（SXFEL-UF）两个阶段，2020 年11 月，SXFEL 试验装置通过国家验收。国家验收委员会专家认为：“SXFEL 试验装置各项性能指标全部达到或优于验收指标。项目首创的EEHG-HGHG 混合级联模式，辐射带宽和中心波长稳定性显著优于HGHGHGHG 级联。”

2021 年5 月，上海软X 射线自由电子激光装置建设取得又一突破性进展，实现了2.0 纳米波长自由电子激光放大出光，这意味着该团队继5.6 纳米、3.5纳米、2.4 纳米自由电子激光放大出光之后，实现了“水窗”波段全覆盖。所谓“水窗”，是指波长在2.3 纳米到4.4 纳米范围的软X 射线波段，在此波段内，尽管水对X 射线是透明的，但其他构成生命的重要元素，例如碳和氧等仍会与X 射线相互作用，因而“水窗”波段的X 射线可用于活体生物细胞显微成像等，具有极其重要的科学应用价值。目前，上海软X 射线自由电子激光装置的X 射线已贯通光束线并到达实验站，获得了首批相干衍射实验数据。预计2021 年年底将建成活细胞结构与功能成像线站等5个实验站，开始用户实验研究。

DCLS 位于中国科学院大连化学物理研究所长兴岛园区，于2017 年投入运行，是目前世界上最亮的极紫外光源，已经在揭示星际介质中硫氢自由基的消耗、发展中性团簇光谱实验方法来探测雾霾生长机理、寻找最小水滴等领域发挥了重要作用。

2021 年，来自上海光源中心的自由电子激光团队再传捷报，理论上提出一种相干能量调制的自放大机制，并且在上海软X 射线自由电子激光试验装置上完成了验证，这种方法可以大幅度降低对外种子激光的功率需求，为兆赫兹级高重复频率运行的实现探索了有效路径，也验证了自放大机制可以作为下一代外种子型光源的标准工作模式。

在回顾我国自由电子激光装置的建设成就和实验结果的时候，可以清晰地看到，不论是SXFEL、DCLS，还是正在建设中的国家重大科技基础设施建设“十三五”规划优先项目——高重复频率硬X 射线自由电子激光SHINE，努力追求更好光源的根本目的是要为其他前沿领域的科学家提供科研利器，以此支撑我国科学家探索世界、认识世界、改造世界。

除了生命科学，在物理、化学、能源、材料等多个领域，X 射线自由电子激光已经催生了很多革命性的成果，帮助人类在前沿领域披荆斩棘。作为我们探索世界、追求真知的有力工具，未来的先进光源，会以更高的亮度、更短的脉冲、更好的相干度，继续着人类格物致知、追求进步的征程。