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。
![自由电子激光的基本原理](https://np-newspic.dfcfw.com/download/D24890100472584744387_w865h302.jpg)
自由电子激光的基本原理
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。
![高次谐波下的光束](https://np-newspic.dfcfw.com/download/D25043485485506226073_w518h425.jpg)
高次谐波下的光束
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。
![荷兰的自由电子激光装置FELIX](https://np-newspic.dfcfw.com/download/D25598273184118202455_w800h533.jpg)
荷兰的自由电子激光装置FELIX
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。
![位于上海张江的硬X射线自由电子激光装置分布示意图](https://np-newspic.dfcfw.com/download/D25098510673846833683_w865h325.jpg)
位于上海张江的硬X射线自由电子激光装置分布示意图
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。