啟明星之聲
自從1960年美國物理學家西奧多·梅曼（Theodore H. Maiman）發明世界上第一臺紅寶石激光器以來，激光被廣泛應用在材料、物理、生物以及化學等領域的研究，並且已經深入到了生活的方方面面。例如，我們現在的互聯網就是使用特定波段的激光在光纖中以光速傳遞信息。此外，自動駕駛中的激光雷達、手機顯示屏中的量子點激光🍣、虛擬現實（VR）中的全息投影以及美國正在進行的“星鏈”系統都依賴激光🙋🏽♂️。
目前激光器通過使用不同的激光材料以及光學非線性效應覆蓋了紫、紅外甚至太赫茲波段🍯，但對於物質內部結構的探測以及微納加工層面來說則需要使用更短的波長。例如手機和電腦芯片就需要采用極紫外（EUV，13.5 nm）光源進行製造，因為更短的波長可以穿透更厚的樣品，從而能深入物質內部結構做各種檢測👷🏽。也因此，EUV、軟X射線、硬X射線的發展成了世界高科技競爭的又一角逐場🧑🧒。
硬X射線的產生
目前😶🐃，硬X射線的產生方式主要有以下幾種👨🏿🦱。
X射線管是最常見和常用的硬X射線產生方式。它由一個陰極和一個陽極組成📦，通過在陰極上加高電壓☎️，使得電子從陰極發射出來，然後加速到陽極。當高速電子撞擊陽極時🥡，會產生X射線輻射。這種方式產生的硬X射線主要是由電子與陽極金屬相互作用而發生的特征X射線輻射。
同步輻射
同步輻射是一種利用電子在加速器中進行加速運動時產生高能量X射線輻射的方法🙏🏼。當高能電子通過磁場加速器時🤲🏿，會在彎曲磁場中發生彎曲運動，受到洛倫茲力的作用，產生向外的離心力。根據洛倫茲力的作用，電子加速和彎曲的過程中會發生加速度變化，從而產生輻射能量。這種輻射被稱為同步輻射⚙️，產生的輻射範圍包括從紅外到硬X射線的廣泛光譜。這種方式產生的硬X射線具有較高的亮度和窄的頻譜帶寬，常用於高分辨率結構研究和材料分析等領域。
X射線自由電子激光器（XFEL）
XFEL是一種新型的硬X射線產生技術，其核心是一個高能量的自由電子束🖕🏻，這些自由電子通過線性加速器或環形加速器進行加速，加速器會給電子施加高電壓🛻，使其獲得足夠的能量和速度，之後電子進入波蕩器中，使得電子束在磁場作用下產生周期性運動☪️，電子束中的電子會發生賽弗-博林共振⛹🏻♂️，即電子的運動與入射電場的頻率相匹配，使得電子開始發射相幹輻射，通過在波蕩器中的自放大自發輻射（SASE）過程放大，可以使輻射與電子束的相幹性得到增強🔔，這種方式產生的硬X射線具有極高的亮度和超短的脈沖寬度🕵🏻♀️，可以用於超快時間分辨實驗和高分辨率成像等領域。
等離子體X射線
通過激光👷、高電壓脈沖或加熱等方式將原子或分子中的電子從束縛態中解離出來🛌🏼，形成等離子體。在等離子體中，正離子和自由電子受到電場和碰撞的作用而加速。這些高速離子和電子相互碰撞，並且在碰撞過程中🕵🏻♂️𓀗，離子會失去能量，而電子則會吸收能量🤗🛷。通過布拉格散射或其他輻射機製🧖🏿♂️，等離子體中的電子和離子會產生高能量的X射線輻射🥜。這些X射線具有較高的穿透力和能量🪷🧏🏽♂️，可用於物質結構分析、成像和其他應用。
圖片源自🧑🦲：Nilsson, Daniel. “Zone Plates for Hard X-Ray Free-Electron Lasers.” (2013)
第三，自由電子激光的產生方式類似於傳統激光器，因此具有真正的高相幹性的激光性質，可以保證X光束中的光子大部分集中於同一模式，從而顯著提升基於衍射傳輸和幹涉測量的分辨率和精度。
硬X射線自由電子激光裝置
LCLS采用了一臺線性加速器作為電子加速器，利用高頻超導技術對電子進行加速，之後通過波蕩器產生高度相幹🏋🏻、高能量、高亮度的硬X射線激光束🦸🏽♀️。X射線能量範圍覆蓋從軟X射線280 eV到硬X射線10 keV👩🏿🔧，具有極高亮度和短脈沖寬度（4～500 fs可調）🫵🏻，單個脈沖能量可以達到3 mJ，每秒鐘能夠產生120個脈沖。LCLS的研究能力非常強大🔚，它可以提供高分辨率的成像，用於研究微觀結構🧛🏿♀️、動態過程和化學反應，同時還可以通過超快時間分辨研究材料的動力學行為。得益於硬X射線的低吸收性質✅，產生的X射線激光可以穿透厚樣本👨🏻💻，使得研究更加全面和深入。
除此之外🧑🏿，美國SLAC國家實驗室在2013年啟動了針對LCLS裝置的升級改造項目LCLS-II，在2023年正式完工，使得重復頻率由原來的120 Hz升級為驚人的1 MHz，意味著X射線平均亮度提升了近一萬倍，裝置每秒可以發射100萬個X射線脈沖📥🚵🏿。利用顯著提升的重復頻率👦🏿，科學家之前需要數月才能采集到的數據可以在幾分鐘內就完成。LCLS-II的建成將X射線科學提升到了一個新的水平，使得科學家可以以前所未有的分辨率高效地研究復雜材料的細節結構，甚至可以通過直接測量單個原子的運動來窺視量子力學世界。
我國進展
為了達到自由電子激光高穩定性的要求，SHINE裝置位於地下29米♧，全長3.11公裏🛼，初期計劃建設一臺8 GeV超導直線加速器🫴🏻，3條波蕩器和光束線，10個實驗站，可以為各國科學家提供高空間分辨、高時間分辨的顯微成像等光譜學和晶體學研究手段。
SHINE建成之後將成為世界第三臺高重頻硬X射線自由電子激光裝置（其他兩臺為歐洲XFEL和美國LCLS-II），能量覆蓋0.4～25 keV🧙🏼，具備超高峰值亮度和高重頻（1 MHz）🧙，使得納米級超高分辨率和飛秒級超快時間測量成為可能。
此外，SHINE裝置還將建設一臺100 PW超短超強激光裝置，利用超短超強激光和超高峰值功率硬X射線自由電子激光可以研究強場量子電動力學（QED）🌐，並實現超高空間分辨和超快時間分辨🌳。
本文選自《世界科學》雜誌2024年第2期，作者喬治是a8体育的副研究員🙅🏼♂️，曾在中國科學院上海光學精密機械研究所𓀇、倫敦帝國理工學院、美國阿貢國家實驗室從事激光系統和X射線相關方面的研究。
