硬X射线自由电子激光：揭示微观世界的奥秘

自从1960年美国物理学家西奥多 · 梅曼（Theodore H. Maiman）发明世界上第一台红宝石激光器以来，激光被广泛应用在材料、物理、生物以及化学等领域的研究，并且已经深入到了生活的方方面面。例如，我们现在的互联网就是使用特定波段的激光在光纤中以光速传递信息。此外，自动驾驶中的激光雷达、手机显示屏中的量子点激光、虚拟现实（VR）中的全息投影以及美国正在进行的“星链”系统都依赖激光。目前激光器通过使用不同的激光材料以及光学非线性效应覆盖了紫、红外甚至太赫兹波段，但对于物质内部结构的探测以及微纳加工层面来说则需要使用更短的波长。例如手机和电脑芯片就需要采用极紫外（EUV，13.5 nm）光源进行制造，因为更短的波长可以穿透更厚的样品，从而能深入物质内部结构做各种检测。也因此，EUV、软X射线、硬X射线的发展成了世界高科技竞争的又一角逐场。

硬X射线的产生

EUV波段指电磁波波长在10～121 nm之间，软X射线和硬X射线分别指波长在10 nm以下和1 nm以下的电磁波。那么科学家们为什么要发展短波长光源呢？首先，物质对光波的吸收会随着波长的缩短而降低，因此短波长的光波可以更深穿透物质。以硅材料为例，软X射线只能穿透100 nm左右厚度的组织，而硬X射线则可以穿透数十微米的组织，这就使得更短波长的光源在物质内部结构探测上具有天然的优势。其次，对于成像系统来说，其分辨率受到阿贝极限的限制。阿贝极限由德国物理学家恩斯特 · 阿贝（Ernst Abbe）在1873年提出。由阿贝极限可知，空间分辨率与光波波长成正比，因此更短的波长可以实现更小的可分辨尺寸、更高的空间分辨率，这也就是为什么芯片的光刻机使用的光源波长逐渐降低。理论上对于硬X射线光源，其衍射极限分辨率可以达到纳米以下，已经接近单个原子的大小，因此更短波长的光源，例如硬X射线的发展有望真正实现对单个原子的检测，也是进入物质内部做微观结构观测的必备手段。目前，硬X射线的产生方式主要有以下几种。

X射线管  X射线管是最常见和常用的硬X射线产生方式。它由一个阴极和一个阳极组成，通过在阴极上加高电压，使得电子从阴极发射出来，然后加速到阳极。当高速电子撞击阳极时，会产生X射线辐射。这种方式产生的硬X射线主要是由电子与阳极金属相互作用而发生的特征X射线辐射。

同步辐射  同步辐射是一种利用电子在加速器中进行加速运动时产生高能量X射线辐射的方法。当高能电子通过磁场加速器时，会在弯曲磁场中发生弯曲运动，受到洛伦兹力的作用，产生向外的离心力。根据洛伦兹力的作用，电子加速和弯曲的过程中会发生加速度变化，从而产生辐射能量。这种辐射被称为同步辐射，产生的辐射范围包括从红外到硬X射线的广泛光谱。这种方式产生的硬X射线具有较高的亮度和窄的频谱带宽，常用于高分辨率结构研究和材料分析等领域。

X射线自由电子激光器（XFEL）  XFEL是一种新型的硬X射线产生技术，其核心是一个高能量的自由电子束，这些自由电子通过线性加速器或环形加速器进行加速，加速器会给电子施加高电压，使其获得足够的能量和速度，之后电子进入波荡器中，使得电子束在磁场作用下产生周期性运动，电子束中的电子会发生赛弗-博林共振，即电子的运动与入射电场的频率相匹配，使得电子开始发射相干辐射，通过在波荡器中的自放大自发辐射（SASE）过程放大，可以使辐射与电子束的相干性得到增强，这种方式產生的硬X射线具有极高的亮度和超短的脉冲宽度，可以用于超快时间分辨实验和高分辨率成像等领域。

等离子体X射线  通过激光、高电压脉冲或加热等方式将原子或分子中的电子从束缚态中解离出来，形成等离子体。在等离子体中，正离子和自由电子受到电场和碰撞的作用而加速。这些高速离子和电子相互碰撞，并且在碰撞过程中，离子会失去能量，而电子则会吸收能量。通过布拉格散射或其他辐射机制，等离子体中的电子和离子会产生高能量的X射线辐射。这些X射线具有较高的穿透力和能量，可用于物质结构分析、成像和其他应用。

相比于其他几种X射线的产生方式，自由电子激光器可以产生超短、超强和近乎全相干的X射线光源。首先，自由电子激光产生X射线脉冲宽度在100飞秒以下，1飞秒相当于10-15秒，这个时间尺度已经接近原子运动时间，因此可以想象为原子在X射线脉冲宽度内保持不动。就像我们手机对汽车照相时，只有汽车静止或者低速运动下才可以得到清晰的图像，因此对原子的探测也需要超快的X射线脉冲才能保证在探测时间范围内原子保持静止。其次，自由电子激光的单脉冲能量在毫焦耳（mJ）级，因此脉冲峰值功率可以达到钛瓦级，可以产生强烈的X光和物质的相互作用，这也是同步辐射装置所不具备的。第三，自由电子激光的产生方式类似于传统激光器，因此具有真正的高相干性的激光性质，可以保证X光束中的光子大部分集中于同一模式，从而显著提升基于衍射传输和干涉测量的分辨率和精度。

硬X射线自由电子激光装置

世界上第一台硬X射线自由电子激光装置是由美国斯坦福线性加速器中心（SLAC）建造的硬X射线自由电子激光器。

直线加速器相干光源（LCLS）于2009年建成，并于2010年开始正式运行。LCLS采用了一台线性加速器作为电子加速器，利用高频超导技术对电子进行加速，之后通过波荡器产生高度相干、高能量、高亮度的硬X射线激光束。X射线能量范围覆盖从软X射线280 eV到硬X射线10 keV，具有极高亮度和短脉冲宽度（4～500 fs可调），单个脉冲能量可以达到3 mJ，每秒钟能够产生120个脉冲。LCLS的研究能力非常强大，它可以提供高分辨率的成像，用于研究微观结构、动态过程和化学反应，同时还可以通过超快时间分辨研究材料的动力学行为。得益于硬X射线的低吸收性质，产生的X射线激光可以穿透厚样本，使得研究更加全面和深入。自建成之后，LCLS吸引了来自全球的科学家前来进行各种研究，并已经在多个领域取得了重要的科学突破，推动了材料科学、生命科学和物理学等领域的进展。

美国LCLS-II装置图及结构图

欧洲硬X射线自由电子激光装置

随着LCLS装置的成功，全球各地均开始了硬X射线自由电子激光装置的建设，例如2011年日本理化学研究所建成的SACLA装置，2016年由韩国浦项加速器实验室（PAL）建设的X射线自由电子激光器（PAL-XFEL），同年由瑞士联邦理工学院建成的瑞士自由电子激光器（Swiss FEL）。这些装置均运行在较低重频状态下（几十Hz到几百Hz）。为了进一步提升硬X射线自由电子激光的用户实验效率，并为研究人员提供更充足的机时，各国均在探索高重频硬X射线自由电子激光装置的可行性。2009年欧洲11个国家斥资12.2亿欧元开始了欧洲X射线自由电子激光装置（European XFEL）的建设，并在2017年正式投入运行。装置全长3.4公里，相比于之前的硬X射线自由电子激光装置，欧洲 XFEL可以每秒发射多达27 000个脉冲，重频超过LCLS装置近200倍，最短X射线波长0.05 nm，脉冲宽度在10～100飞秒。利用该装置，科学家可以在1秒钟内采集超过3000张X射线图像，极大地提升了实验效率。除此之外，美国SLAC国家实验室在2013年启动了针对LCLS装置的升级改造项目LCLS-II，在2023年正式完工，使得重复频率由原来的120 Hz升级为惊人的1 MHz，意味着X射线平均亮度提升了近一万倍，装置每秒可以发射100万个X射线脉冲。利用显著提升的重复频率，科学家之前需要数月才能采集到的数据可以在几分钟内就完成。LCLS-II的建成将X射线科学提升到了一个新的水平，使得科学家可以以前所未有的分辨率高效地研究复杂材料的细节结构，甚至可以通过直接测量单个原子的运动来窥视量子力学世界。

我国进展

由上可见，当前自由電子激光装置已经成为基础科学研究必备的研究手段，而我国也在积极发展自由电子激光装置。2017年我国建设的第一台自由电子激光装置——大连相干光源建成出光，也是世界上唯一工作在极紫外波段的自由电子激光装置，这一装置波长覆盖50～150 nm，具有完全相干的特性，脉冲宽度可以在飞秒和皮秒之间切换。

2022年，我国第一台软X射线自由电子激光装置（SXFEL）在上海正式出光并投入运行，装置由上海科技大学、中国科学院上海应用物理研究所和中国科学院上海高等研究院共同建设，覆盖了对于生物成像极为重要的水窗波段（波长在2.3 nm到4.4 nm范围的软X射线波段），填补了中国在相关领域的空白。在此波段内，在细胞中占主体的液体水对X射线的吸收较低，可以认为相对透明，但其他元素对X射线的相互作用依然十分强烈，因此水窗波段可以用于活体生物细胞的成像，具有重要科学意义和应用价值。

SHINE装置规划图

相比软X射线自由电子激光，硬X射线自由电子激光的应用更加广泛，可以实现更高的分辨率以及更厚的材料显微成像。我国针对硬X射线自由电子激光的迫切需求，在2018年投资100亿人民币开始建设高重频硬X射线自由电子激光装置（SHINE），项目建设法人为上海科技大学。为了达到自由电子激光高稳定性的要求，SHINE装置位于地下29米，全长3.11公里，初期计划建设一台8 GeV超导直线加速器，3条波荡器和光束线，10个实验站，可以为各国科学家提供高空间分辨、高时间分辨的显微成像等光谱学和晶体学研究手段。SHINE建成之后将成为世界第三台高重频硬X射线自由电子激光装置（其他两台为欧洲XFEL和美国LCLS-II），能量覆盖0.4～25 keV，具备超高峰值亮度和高重频（1 MHz），使得纳米级超高分辨率和飞秒级超快时间测量成为可能。此外，SHINE装置还将建设一台100 PW超短超强激光装置，利用超短超强激光和超高峰值功率硬X射线自由电子激光可以研究强场量子电动力学（QED），并实现超高空间分辨和超快时间分辨。

届时在上海浦东张江地区将齐集几大X射线大科学装置，包括上海同步辐射光源、上海软X射线自由电子激光装置和上海高重频硬X射线自由电子激光装置，将建成国际领先的光子科学研究中心，在光子科学领域形成美国-欧洲-中国三足鼎立的格局，为我国基础科学的前沿发展带来前所未有的机遇。

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本文作者乔治是上海科技大学大科学中心的副研究员。曾在中国科学院上海光学精密机械研究所、伦敦帝国理工学院、美国阿贡国家实验室从事激光系统和X射线相关方面的研究