The Innovation | X射线自由电子激光的发展与未来
导 读
X射线自由电子激光是基于电子直线加速器的新一代光源，可以产生超高亮度、超短的X射线脉冲。在物理、化学、能源、生命科学、材料科学等领域有重要和广泛的应用。本文概述了X射线自由电子激光的基本原理和工作模式；介绍国内外相关大科学装置的建设情况；展示其在众多前沿学科领域的重要应用；讨论未来的发展方向和主要挑战。
自由电子激光（FEL）通过电子束团在周期性磁场（波荡器）的摇摆飞行，将电子束团动能转换为光能。因此，理论上FEL发光和放大只依赖于电子束团和波荡器。这个特性让FEL拥有了三个独特的优点：1）输出性能由电子束团品质决定，理论上不存在绝对上限；2）输出波长连续可调，可以在太赫兹到X射线的任意波段输出；3）光束性质可通过操纵电子束团来深度定制。目前，X射线FEL装置有三种工作模式，分别为：可以自起振的自放大自发辐射模式（图1A）、通过种子激光倍频到短波的外种子模式（图1B）、基于X射线光腔的振荡器模式（图1C）。其中，自放大自发辐射模式是目前X射线FEL运行的主要方案。
图1 (A)自放大自发辐射模式；(B)外种子模式；(C)振荡器模式。
与典型的第三代同步辐射光源相比，X射线FEL的峰值亮度提高了10亿倍，脉冲宽度下降到了飞秒（10-15 s）量级，并且相干性有了巨大的提升。这些特性突破了常规同步辐射光源的限制，让X射线FEL成为探索微观世界的理想工具，也是目前众多前沿学科最先进的研究平台。例如，X射线FEL的超快超强特性极大地推动了串行晶体学和单颗粒成像技术的发展，开启了蛋白质结构的微晶解析和超快动力学研究的新纪元（图2）。
图2 LCLS单颗粒实验的示意图
目前，国际上已先后有7台X射线FEL装置建成并投入运行，另有3台正在建设中（图3）。在国内，上海软X射线自由电子激光（SXFEL）试验装置实现了8.8 纳米波长放大出光，并于2020年11月完成了国家验收。建设中的SXFEL用户装置覆盖整个水窗波段，最短波长2纳米，预计今年开始首批用户实验，目前正在调束调光。
图3 国际上X射线FEL装置建设路线图
上海高重复频率硬X射线FEL 装置(SHINE)已于2018年4月动工建设，计划2025年出光并开始科学实验。SHINE首期将建设三条波荡器线，覆盖0.4 ～25千电子伏特的光子能量范围，X 射线脉冲重复频率最高可达1兆赫兹。未来，SHINE一个典型的科学应用是通过XFEL与超强激光对撞（图4），从而探索真空的本质。
图4 X射线与超强激光对撞示意图
总结和展望
为了进一步满足用户需求，X射线FEL正朝着全相干、更短脉冲（阿秒，10-18s）和更高功率（太瓦，1012W）的方向发展。不久的将来，基于超导直线加速器的X射线FEL将实现连续波运行，连续波运行带来的科学和技术挑战，需要发展新的物理机制来解决。X射线FEL的物理和相关技术，将为未来的同步辐射光源带来启示和革新。此外，激光等离子体尾波场等高梯度加速技术的出现，将加快XFEL装置的小型化发展。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00022-9
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第二期将以Review发表的“Features and futures of X-ray free-electron lasers” (投稿: 2020-11-12；接收: 2021-02-02；在线刊出: 2021-03-17)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100097
引用格式：Huang N., Deng H., Liu B et al. (2021). Features and futures of X-ray free-electron lasers. The Innovation. 2(2),100097.
作者简介
邓海啸，中国科学院上海高等研究院研究员，博士生导师。主要从事自由电子激光物理与实验研究，长期参与我国自由电子激光大科学装置建设。主持国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划项目，先后获得自由电子激光青年科学家奖（The Young Investigator FEL Prize），上海市自然科学一等奖。
赵振堂，中国科学院上海高等研究院研究员，中国工程院院士，博士生导师。长期从事粒子加速器研究与装置研制工作，作为主要负责人承担和完成多项大科学装置项目、863和973项目等。先后获得国家科技进步一等奖（集体奖）、上海市科技进步特等奖、中国科学院杰出成就奖、上海市自然科学一等奖。
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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。往期作者（Volume 1 Issue 1 -- Volume 2 Issue 1）来自全球24个国家；每期1/3-1/4通讯作者来自海外。目前有179位编委会成员，来自21个国家；49%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，26位各国院士；领域覆盖全部自然科学。
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