探索世界的進(jìn)程中，有一束不可替代的光

林梅

本篇報(bào)道圍繞2018年度上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)項(xiàng)目“全相干自由電子激光的前沿實(shí)驗(yàn)研究與新原理探索”展開(kāi)，該獎(jiǎng)項(xiàng)由中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所趙振堂院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)獲得。

光譜圖

X 射線的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用的開(kāi)拓

X 射線最早由德國(guó)科學(xué)家倫琴在研究陰極射線的時(shí)候偶然發(fā)現(xiàn)。他揭示了X 射線的穿透特性。利用這種特性，他拍下了一位女士手部骨骼的照片。這張帶著戒指的照片，成為人類利用X 射線的開(kāi)端。我們今天也常常利用X 射線穿透肌肉的能力，進(jìn)行各種醫(yī)學(xué)檢測(cè)。

X射線能檢測(cè)的不僅有我們的身體，還有物質(zhì)各種尺度的內(nèi)部構(gòu)成直至微觀結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)變化。因?yàn)閄 射線的波長(zhǎng)范圍為0.001納米至10納米（即0.01～100埃），與原子的直徑大?。ā? 埃）正好相符，可以將X 射線作為探針，用來(lái)探測(cè)物質(zhì)的微觀世界，看看內(nèi)部的原子是怎么排列的以及是如何運(yùn)動(dòng)的。

在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)，人們通過(guò)相對(duì)論電子的同步輻射來(lái)產(chǎn)生高亮度X射線。所謂同步輻射，其實(shí)就是一個(gè)超級(jí)大的“電磁爐”：利用接近光速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)釋放電磁波的性質(zhì)，讓帶電粒子（一般是電子）沿弧形軌道運(yùn)動(dòng)，然后在運(yùn)動(dòng)的切線方向輻射電磁波，電磁波的波段可覆蓋從太赫茲到X 射線的區(qū)域。上海張江的“上海光源”，就是第三代同步輻射光源，它成為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等眾多領(lǐng)域的科學(xué)家提供不可或缺的研究利器。

但是，與傳統(tǒng)激光相比，同步輻射X 光源沒(méi)有強(qiáng)相干性。這一點(diǎn)大大限制了它的應(yīng)用。

所謂相干性，我們可以類比兩列機(jī)械波發(fā)生顯著干涉現(xiàn)象的條件：頻率相同，相位差恒定，振動(dòng)方向一致。其實(shí)，光波的相干性也是類似的。通常，兩個(gè)獨(dú)立光源發(fā)出的光，不具備這樣的條件，不會(huì)產(chǎn)生明顯的干涉條紋。

而激光為什么可以具有相干性呢？因?yàn)楸举|(zhì)上，激光的產(chǎn)生是一個(gè)受激輻射的過(guò)程，當(dāng)電子被激勵(lì)到一個(gè)高能級(jí)的時(shí)候，會(huì)在某個(gè)特定光子的激發(fā)下，躍遷到低能級(jí)，并且釋放出一個(gè)和入射光子完全一致的光子，兩個(gè)光子各方面步調(diào)完全一致，也就是具有相干性。（激光的相干性包括空間相干性和時(shí)間相干性兩方面?？臻g相干性與發(fā)散角和光場(chǎng)模式有關(guān)，時(shí)間相干性與單色性有關(guān)。）可以說(shuō)，激光器就是一個(gè)光子的克隆機(jī)，不停地克隆出大量特定能量的光子。

如果能造出X 射線波段的激光，具備高亮度、高相干性、超短脈沖等特點(diǎn)，那將會(huì)大大拓展X 射線的應(yīng)用場(chǎng)景。

1971年，一位叫作約翰?梅迪（John M. J. Madey）的年輕人，提出了不同于傳統(tǒng)激光的光放大機(jī)制。他發(fā)現(xiàn)，在周期性磁場(chǎng)中搖擺運(yùn)動(dòng)的高能電子束與光之間也可以發(fā)生相互作用，進(jìn)而輻射和放大出相干光。因?yàn)檫@種機(jī)制中的電子是不被束縛在原子核周圍的自由電子，所以人們正式將其命名為自由電子激光。只是，由于在短波長(zhǎng)沒(méi)有合適的反射介質(zhì)，在長(zhǎng)達(dá)二三十年的時(shí)間里，自由電子激光一直停留在紅外和可見(jiàn)光波段，沒(méi)有在短波長(zhǎng)方向取得突破性進(jìn)展。為了將自由電子激光推向短波，人們拓展了思路。

人們發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生自由電子激光的新機(jī)制，在一個(gè)足夠長(zhǎng)的波蕩器里面，電子束和自發(fā)輻射同時(shí)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以和自發(fā)輻射產(chǎn)生一種神奇的相互作用，它們相互激發(fā)，然后將輻射放大直至飽和，不需要反射介質(zhì)。脫離了反射介質(zhì)這個(gè)束縛，自由電子激光的波長(zhǎng)便沒(méi)有了限制，這種自我激發(fā)的方式，人們稱之為自放大自發(fā)輻射。但是，自放大自發(fā)輻射由于是靠初始噪聲起振的，經(jīng)過(guò)一個(gè)持續(xù)的放大過(guò)程之后，相干性總不是那么理想，尤其是時(shí)間相干性。

所以，人們又引入了傳統(tǒng)激光來(lái)幫助解決問(wèn)題。人們將傳統(tǒng)激光當(dāng)作外來(lái)的“種子”，讓它與電子束同時(shí)進(jìn)入波蕩器產(chǎn)生共振，由于“種子”的存在，可以抑制電子束初始噪聲的影響，這樣的方式被叫作外種子型自由電子激光。只不過(guò)，這時(shí)，輸出波長(zhǎng)與“種子”的波長(zhǎng)息息相關(guān)。想要產(chǎn)生短波長(zhǎng)的輸出光，就要求有短波長(zhǎng)的“種子”激光。那么，短波長(zhǎng)的“種子”如何得到，就成了關(guān)鍵。

好在，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)天然就存在的好“種子”。那就是電子束中的微聚束。電子束中的微聚束天然地含有高次諧波分量，我們只需要想辦法產(chǎn)生這個(gè)微聚束，然后把特定的高次諧波成分挑選出來(lái)進(jìn)行放大，就可以來(lái)產(chǎn)生短波的種子型自由電子激光啦。

當(dāng)然，這還不能讓科學(xué)家滿足，不斷追求突破的科學(xué)家希望得到更短的波長(zhǎng)。于是，又對(duì)上面這種自由電子激光進(jìn)行了改造，發(fā)明了級(jí)聯(lián)型高次諧波放大機(jī)制和回聲諧波放大機(jī)制。所謂級(jí)聯(lián)型高次諧波放大機(jī)制，其實(shí)理論上很簡(jiǎn)單，就是把上面說(shuō)的高次諧波放大方法做成多級(jí)串聯(lián)，首尾相連，前面一級(jí)的輸出光作為下一級(jí)的“種子”，這樣，每經(jīng)過(guò)一級(jí)，輸出波長(zhǎng)縮短一點(diǎn)，最終得到我們要的X 光波。

原理上簡(jiǎn)單，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻難度不小。比如，電子束在與激光相互作用的時(shí)候，難免品質(zhì)會(huì)變差，為了每一級(jí)都保持電子束和激光配合完好，對(duì)電子束和激光的同步技術(shù)、品質(zhì)掌握都提出了很高的要求。上海的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在這方面取得了突破：上海應(yīng)用物理研究所于2009年建成的我國(guó)首個(gè)高增益自由電子激光綜合研究平臺(tái) — —上海深紫外自由電子激光裝置SDUV-FEL，成功進(jìn)行了兩級(jí)級(jí)聯(lián)的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，成功利用1 200 納米的種子光，輸出了第一級(jí)600納米、第二級(jí)300納米的全相干輻射。

而另一方面，回聲諧波放大機(jī)制的路徑也得到了科學(xué)家的關(guān)注。這個(gè)模式是2009 年美國(guó)斯坦福直線加速器中心（SLAC）實(shí)驗(yàn)室的根納季?斯圖帕科夫（Gennady Stupakov）博士提出的，一經(jīng)提出，就吸引了全世界所有自由電子激光領(lǐng)域科學(xué)家的目光。很快，一些原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)展開(kāi)。

回聲型諧波放大機(jī)制，主要是為了得到超高次的諧波輻射，電子束相空間被拉成一條條“能帶”，這種特殊結(jié)構(gòu)的電子束和激光相互作用后，類似回聲效應(yīng)，有可能產(chǎn)生幾十次甚至上百次的高次諧波。最早驗(yàn)證回聲諧波機(jī)制的實(shí)驗(yàn)室有美國(guó)斯坦福直線加速中心（SLAC）國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的下一代直線對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)加速器（NLCTA）裝置，還有中國(guó)上海的SDUV-FEL。

我們的SDUV-FEL，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了3 次諧波的回聲型諧波放大。實(shí)驗(yàn)表明，在適當(dāng)?shù)臈l件下，相對(duì)于傳統(tǒng)種子型機(jī)制，回聲型諧波放大機(jī)制的輸出光相干性、帶寬、波長(zhǎng)穩(wěn)定性上都有更好的表現(xiàn)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成果發(fā)表在2012 年的《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）上，并被選為封面文章，同期刊登了對(duì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人趙振堂的專訪，體現(xiàn)了回聲諧波放大機(jī)制在原理驗(yàn)證方面的重要成果對(duì)當(dāng)前及未來(lái)自由電子激光的發(fā)展具有的重要意義和深遠(yuǎn)的影響。此后，該團(tuán)隊(duì)在新原理探索方面，還提出了級(jí)聯(lián)型回聲諧波放大、相位匯聚型諧波放大機(jī)制等新型自由電子激光工作模式。

趙振堂院士和項(xiàng)目骨干在工作現(xiàn)場(chǎng)

人類努力追求更好光源

高增益自由電子激光原理的成功驗(yàn)證直接催生了21 世紀(jì)新一代大型自由電子激光科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)和快速發(fā)展。2006 年世界首臺(tái)軟X 射線自由電子激光FLASH 在德國(guó)建成，2009 年硬X 射線自由電子激光裝置LCLS 在美國(guó)建成，人類進(jìn)入了X 射線自由電子激光時(shí)代。隨后意大利的種子型軟X 射線自由電子激光FERMI，日本、韓國(guó)、瑞士和歐盟的硬X 射線自由電子激光裝置SACLA、PAL-XFEL、SwissFEL 和European XFEL 相繼建成，如火如荼。

我國(guó)的高增益自由電子激光發(fā)展也進(jìn)入了快車道，上海軟X 射線FEL 裝置SXFEL 和大連極紫外相干光源DCLS等相繼建設(shè)和調(diào)試及應(yīng)用。SXFEL 位于上海張江科學(xué)城的上海光源園區(qū)，集中于外種子型X射線自由電子激光的研究，將最先進(jìn)的加速器技術(shù)、激光技術(shù)與自由電子激光新原理、新技術(shù)相結(jié)合，并為各個(gè)科研領(lǐng)域的研究人員提供服務(wù)。

SXFEL 裝置的研制分為試驗(yàn)裝置（SXFEL-TF）和用戶裝置（SXFEL-UF）兩個(gè)階段，2020 年11 月，SXFEL 試驗(yàn)裝置通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。國(guó)家驗(yàn)收委員會(huì)專家認(rèn)為：“SXFEL 試驗(yàn)裝置各項(xiàng)性能指標(biāo)全部達(dá)到或優(yōu)于驗(yàn)收指標(biāo)。項(xiàng)目首創(chuàng)的EEHG-HGHG 混合級(jí)聯(lián)模式，輻射帶寬和中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性顯著優(yōu)于HGHGHGHG 級(jí)聯(lián)?！?/p>

2021 年5 月，上海軟X 射線自由電子激光裝置建設(shè)取得又一突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了2.0 納米波長(zhǎng)自由電子激光放大出光，這意味著該團(tuán)隊(duì)繼5.6 納米、3.5納米、2.4 納米自由電子激光放大出光之后，實(shí)現(xiàn)了“水窗”波段全覆蓋。所謂“水窗”，是指波長(zhǎng)在2.3 納米到4.4 納米范圍的軟X 射線波段，在此波段內(nèi)，盡管水對(duì)X 射線是透明的，但其他構(gòu)成生命的重要元素，例如碳和氧等仍會(huì)與X 射線相互作用，因而“水窗”波段的X 射線可用于活體生物細(xì)胞顯微成像等，具有極其重要的科學(xué)應(yīng)用價(jià)值。目前，上海軟X 射線自由電子激光裝置的X 射線已貫通光束線并到達(dá)實(shí)驗(yàn)站，獲得了首批相干衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)2021 年年底將建成活細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能成像線站等5個(gè)實(shí)驗(yàn)站，開(kāi)始用戶實(shí)驗(yàn)研究。

DCLS 位于中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所長(zhǎng)興島園區(qū)，于2017 年投入運(yùn)行，是目前世界上最亮的極紫外光源，已經(jīng)在揭示星際介質(zhì)中硫氫自由基的消耗、發(fā)展中性團(tuán)簇光譜實(shí)驗(yàn)方法來(lái)探測(cè)霧霾生長(zhǎng)機(jī)理、尋找最小水滴等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

2021 年，來(lái)自上海光源中心的自由電子激光團(tuán)隊(duì)再傳捷報(bào)，理論上提出一種相干能量調(diào)制的自放大機(jī)制，并且在上海軟X 射線自由電子激光試驗(yàn)裝置上完成了驗(yàn)證，這種方法可以大幅度降低對(duì)外種子激光的功率需求，為兆赫茲級(jí)高重復(fù)頻率運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)探索了有效路徑，也驗(yàn)證了自放大機(jī)制可以作為下一代外種子型光源的標(biāo)準(zhǔn)工作模式。

在回顧我國(guó)自由電子激光裝置的建設(shè)成就和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)候，可以清晰地看到，不論是SXFEL、DCLS，還是正在建設(shè)中的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃優(yōu)先項(xiàng)目——高重復(fù)頻率硬X 射線自由電子激光SHINE，努力追求更好光源的根本目的是要為其他前沿領(lǐng)域的科學(xué)家提供科研利器，以此支撐我國(guó)科學(xué)家探索世界、認(rèn)識(shí)世界、改造世界。

除了生命科學(xué)，在物理、化學(xué)、能源、材料等多個(gè)領(lǐng)域，X 射線自由電子激光已經(jīng)催生了很多革命性的成果，幫助人類在前沿領(lǐng)域披荊斬棘。作為我們探索世界、追求真知的有力工具，未來(lái)的先進(jìn)光源，會(huì)以更高的亮度、更短的脈沖、更好的相干度，繼續(xù)著人類格物致知、追求進(jìn)步的征程。