X射线自由电子激光器研究进展

概要

X射线作为一种探测原子尺度物质结构的重要工具,已广泛应用于前沿科学研究、医疗诊断、工业检测等领域。X射线自由电子激光器(X-ray free electron laser,XFEL)作为目前世界上最先进的光源之一,以其超高峰值亮度、飞秒级脉冲和全相干特性极大推动了X射线技术的发展与应用。全球众多国家和研究机构正积极推进XFEL设施的建设与技术进步。该文论述了XFEL的基本原理、国际上的研究进展与最新技术突破,以及我国在XFEL技术方面的研究进展,并对我国未来的XFEL技术进行了展望。

文献来源：杨晶, 何蕙羽, 刘博, 等. X 射线自由电子激光器研究进展[J]. 北京工业大学学报, 2025, 51(11): 1470-1484.

引言

自1895年伦琴发现X射线以来,X射线已逐步成为物理学、化学、生命科学、能源环境等学科领域的关键探测工具。X射线的高穿透能力以及波长与原子尺度相近使其能够对材料进行原位、定量的高分辨成像,深入揭示材料的微观原子结构和动力学过程。进入21世纪以来,随着成像、材料表征技术的发展,各学科前沿研究和产业应用对X射线的亮度、脉宽和相干性提出了更高的需求。科学家们始终致力于研发超强超短X射线光源,以在空间、能量和时间等多个维度上进一步提升其分辨能力和探测效率。

早期的X射线主要通过X射线管、基于电子储存环的同步辐射光源产生。全球许多国家建造了大量此类同步辐射装置,供数万科研人员使用。然而,这些光源产生的X射线脉宽最短为10~100 ps,并且时间相干性较差,难以与原子、电子运动的时间尺度相匹配,限制了X射线在超快动力学研究中的应用。

随着自由电子辐射理论和工程技术的发展,一种以自由电子为增益介质的新型光源技术——自由电子激光器(free electron laser,FEL)应运而生,并迅速引起了国际社会的广泛关注。相较于传统激光器,FEL具备覆盖波长极广、频谱连续可调、亮度高、功率大等独特优势 ,为X射线技术带来了新机遇。自由电子激光的概念最初由Madey在1971年提出,并于1976年在斯坦福大学获得实验验证。自由电子激光技术引入了一个对电子束的横向动量进行周期性调制的概念,通过利用超高速电子在周期性磁场中的运动来产生相干辐射。1977年,Deacon等成功实现了振荡器型3.4µm自由电子激光,验证了低增益FEL的可行性。在过去的四十余年中,同步加速器的发开启了光源科学的新纪元,自1997年以来已有5项相关的诺贝尔奖被授予。目前,FEL作为第四代同步辐射光源的重要类型之一,能够产生超高峰值亮度、全相干、超短波长及超短脉冲的X射线,极大推动了X射线技术在科学研究、医疗诊断、工业检测等多个领域的广泛应用。

时至今日,X射线自由电子激光器(X-ray free electron laser,XFEL)已进入蓬勃发展时期,全球多个国家和机构正积极投入建设XFEL设施。目前建成并投入使用的XFEL装置有德国的软X射线FLASH、意大利的FERMI、美国的LCLS 、日本的SACLA、韩国的PAL-XFEL、瑞士的Swiss FEL以及采用低温超导技术的高重频硬X射线装置,如欧洲的European-XFEL和美国的LCLS-Ⅱ等。这些XFEL设施的开放应用为探索超微结构、超快动力学过程提供了强大的技术支撑,为物理学、材料科学、生命科学等学科领域的基础性与前沿性研究开辟了全新视角和创新方法,推动了航空航天、能源环境、生物医疗等领域的重大技术变革。本文将介绍X射线自由电子激光的基本原理,深入探讨XFEL近年来国内外的研究进展与最新技术突破,为读者呈现XFEL这项前沿技术在全球范围内的发展动态。

1. X射线自由电子激光的基本模式

从定性的角度来看,电子根据其所处的势场可被分类为“自由冶态或“束缚冶态。例如,在加速器和等离子体中,电子几乎不受空间的约束,此时可视作自由电子。与之相反,当电子被非消失势场捕获时, 如在原子、分子和离子系统中,它们则被视为束缚电子。激光的产生是原子中电子在离散能级间的跃迁过程。 然而,由于能级的离散特性,受激辐射的频带非常有限,尤其在紫外甚至更短的波段,难以直接产生激光输出。当束缚电子吸收足够的能量并从原子势中逃逸时,它便可转换成自由电子。与束缚电子不同,自由电子的能谱是连续的,它们可以被外部电磁场加速、偏转、压缩和调制,从而实现对其能量、轨迹、脉冲宽度等物理量的精确控制。理论上,自由电子能够发射任何低于其自身能量的光子。因此,具有千电子伏至吉电子伏(keV-GeV)动能的自由电子能够发射出微波、太赫兹(terahertz,THz)、红外(infrared,IR)、可见光、紫外(ultraviol,UV)、X射线甚至伽马射线能量范围的光子,这些发射光子的能量高度依赖于自由电子的运动状态。 

自由电子激光器的主要工作模式包括振荡器型、自放大自发辐射(self-amplified spontaneous emission,SASE) 和高增益高次谐波放大( high-gain harmonic generation,HGHG)3 种类型。其中,SASE和HGHG属于高增益FEL。振荡器型FEL是利用光学谐振腔来约束辐射场,电子束在多次通过波荡器的过程中实现辐射增强放大直至饱和,如图1所示。然而,由于缺乏高质量X射线波段高反镜,该类型FEL主要用于产生低增益的太赫兹至紫外波段激光。

图1：振荡器型FEL示意

SASE不依赖于外部光学谐振腔,这种装置主要由电子源、加速器和波荡器3个基本部件构成。其中,电子源用于生成高质量电子束,这些电子束需要具备高亮度、低发散角和能量精度高的特点。产生的电子束经过直线或环型加速器加速至接近光速。加速后的高速电子将通过一个由周期性排列的磁偶极子构成的波荡器。波荡器产生的磁场与电子运动的方向相垂直。 在此过程中,电子受到横向磁场的影响而进行周期性偏转,以近似正弦轨迹向前运动,并在其运动的切线方向上产生自发辐射,如图2所示。

图2 自放大自发辐射型FEL示意

初始产生的自发辐射是低强度且不相干的,并在电子束内均匀分布,总辐射强度与电子数成正比。当辐射强度超过特定阈值时,辐射对自由电子本身产生的作用力变得显著,从而使得自由电子产生的辐射场能够反过来调制自由电子的运动,导致电子运动遵循更有利于辐射产生的轨迹模式。 在此过程中,辐射场与自由电子之间进行多次相干能量交换。不同能量的电子受到波荡器的磁场作用,在纵向上(即沿着束流的传播方向)出现分离或聚集,从而形成密度调制,使电子形成以辐射波长为间隔的微聚束。微聚束使各电子的辐射在相位上相关,从而实现正反馈相长干涉并放大辐射场,直至系统达到饱和。最终产生的强相干辐射即是自由电子激光,其功率增长极限与电子数的平方成正比。SASE 模式的优势在于仅通过控制电子束和波荡器的参数就可实现输出波长连续可调,波荡器辐射的共振波长为

λ=λᵤ(1 + K²/ 2) / 2nγ²        (1)

式中:λᵤ、n、K、γ分别代表波荡器的周期长度、谐波阶数、磁偏转参数和电子束的洛伦兹因子。SASE模式是目前世界上硬 X 射线FEL的主要运行机制。 然而,由于这种辐射是由电子束散粒噪声随机产生的,因此 X 射线脉冲存在较强的抖动问题。 此外,由于电子在波荡器中的正弦轨迹延长了光传播路径,电子束每经过一个波荡器周期,辐射场便会超前电子束团一个辐射波长的距离,该现象被称为滑移效应。由于滑移效应的影响,SASE模式产生的辐射在时域上表现为多个不相干的尖峰,因而其纵向相干性较差,中心波长也不够稳定。 

为了改善XFEL的相干性和稳定性,研究人员开始考虑采用外种子激光。HGHG模式是最经典的外种子型FEL,它的初始光场是由外种子激光提供,所需的波荡器长度相对较短,HGHG装置原理图如图3所示。

图3 高增益高次谐波放大FEL示意

HGHG型装置主要由2个波荡器和1个磁压缩段构成。高能电子束和种子激光同时进入第一个较短的波荡器。在此过程中,电子束与种子激光相互作用产生能量调制后,再进入磁压缩段。此时会产生驱动激光波长尺度上的微聚束。提高电子束的群聚后,带有密度调制的电子束进入最后的增益段波荡器中,如果辐射段的共振波长在密度调制的高次谐波上,受激辐射会形成指数增益直至饱和。HGHG有效提升了FEL的稳定性和相干性,也是目前我国上海XFEL、FERMI的主要运行模式,但外种子激光引入的能散使其难以实现10次以上的谐波转换。因此该模式更适用于产生深紫外激光。 

2012年,意大利Paul Scherrer研究所的Sun等报道了基于HGHG的外种子型FERMI FEL-1光源输出波长20 ~ 65 nm,单脉冲能量约几十微焦,具有非常好的点对点波长稳定性和横/ 纵向相干性。为了实现更短波长激光输出,该团队尝试通过级联的方式,即采用一级 HGHG 产生的辐射光作为下一级HGHG的种子激光,进而将辐射波长向硬X射线推进。次年,该团队通过采用两级谐波级联方案实现了4.3 nm的相干、可调且可变偏振飞秒脉冲输出。FERMI FEL-1也是首台实现软X射线输出的FEL装置,但是由于装置结构复杂,输出稳定性有待进一步提升。 

为了解决HGHG单次谐波转换次数限制的问题,美国SLAC、中国科学院上海应用物理研究所等机构提出了回声增强型谐波放大模式、相位聚合谐波放大模式等策略,并基于这些机制开发了多种级联方法。2022年,上海软X射线FEL实现了国际上波长最短(5.78 nm)的回声增强型FEL激光放大,达到了目前最高的谐波转换次数。但这些新技术使装置设计更为复杂,XFEL仍面临噪声抖动、电子束品质差等问题。

2. 全球的 X 射线自由电子激光装置

自斯坦福大学发明了第一台远红外FEL后,各国开始逐步开展FEL理论与实验研究,将FEL逐步向高能量、短波长推进。由式(1)可以看出,增加光束能量可有效缩短输出波长。因此,科学家们开始采用大型加速器来构造X射线FEL设施。表1列举了目前世界上已建成、建设中的 XFEL 装置及主要参数( 表中的亮度单位为photons/sec/mm2/mrad2/0.1%-BW)。2006年,德国的大型粒子物理学研究机构Deutsches Elektronen Synchrotron率先研制出了世界首台软X射线自由电子激光器FLASH,中心波长为13.7nm,在饱和状态下单脉冲峰值能量可达170µJ,脉宽为10fs。2年后,该研究机构再次将输出波长推进到了6.5nm,成为世界上首台实现软X射线的FEL装置。2009 年,美国SLAC国家加速器实验室采用Linac相干光源(linac coherent light source,LCLS)将 FEL输出波长推进至0.15nm,其峰值亮度比传统同步加速器源高出近十个数量级,能够在原子尺度上对物质结构和动力学进行成像。同时,根据式(1)可知,通过减短波荡器周期长度也可使用较小的电子束能缩短波长。2008年,日本RIKEN采用紧凑型加速器与短周期波荡器相结合的方式,在55m长SPring-8 SASE 源上进行了实验验证,实现了极紫外激光输出,最大脉冲能量为30µJ。随后,该团队基于SACLA装置将FEL波长推进至0.063nm的超硬X射线波段。继LCLS和SACLA的成功演示后,韩国、瑞士也相继报道了PAL-XFEL、SwissFEL装置 ,最短波长可达0.1nm。此外,欧洲国家还推出了基于低温超导加速技术的高重频European-XFEL,也是世界上第一台MHz量级的高重频硬X射线FEL装置。超导技术可以在加速电压的一个射频脉冲内同时加速多个电子束, 进而产生大量硬X射线脉冲。European-XFEL装置与FLASH同样采用超导L直线加速器,每秒可产生5000个电子束,满程能量高达17.5 GeV。该装置在7keV和14keV之间实现的硬X射线脉冲能量高达2.0 mJ,在高重频下,FEL光束平均功率可达6W。由于XFEL装置规模非常大,需要投入巨大的、长程的资金与建设周期。可以看到,以欧美为代表的世界多个国家均已将XFEL提升到科技战略高度进行快速布局,抢占科技先机。美国SLAC于2009年建成并投入开放使用。欧洲European-XFEL集合了主要欧盟国家与欧洲国家,工程项目于2009年初开始建设,2017年完工并向用户开放。

3.超快XFEL技术研究进展

目前,XFEL已能够为科研人员提供高亮度的X射线,来探索飞秒尺度上的动态过程。但是,这些研究主要局限于原子运动。而电子动力学的时间尺度通常在百阿秒量级。当X射线照射到物质上时,它会通过光电子和俄歇电子的发射引发的级联碰撞电离过程激发大量电子,从而显著改变原子结构。电子激发过程通常为几飞秒,因此,使用阿秒X射线脉冲可在其引起“电子损伤冶之前捕获信号,这对于科学家探索和操控物质的超快动态过程极为重要。 阿秒脉冲激光对于推动原子分子物理、凝聚态物理、生命科学等多个学科领域,以及超快科学新领域,例如超高分辨率成像、阿秒电子动力学、非线性光谱学等,都具有重大意义。 

在强X射线阿秒脉冲的迫切需求下,国内外科研人员开展了大量的阿秒XFEL技术研究。为了压缩XFEL脉冲持续时间,目前已提出了多种技术方案。以SASEFEL为例,限制其产生更短脉冲持续时间的主要因素包括电子束长和协作长度(即FEL增益长度内,辐射场相对电子束团产生的滑移距离)。 因此,通过使用低电荷量电子束(数十皮库仑)来进行束团压缩,可以有效缩短最终的辐射脉冲持续时间。考虑到束团压缩过程中,加速器的相位抖动会影响峰值电流的稳定性,2014年,Huang等提出通过优化高次谐波射频腔的幅度和相位以及加速器参数来实现非线性束团压缩的方案,并基于LCLS光源参数进行了模拟实验。2017年,该团队通过实验验证了此方案,成功获得了200as的稳定单尖峰X射线脉冲,脉冲能量约为10µJ,强度波动为70%。2020年,Malyzhenkov等在SwissFEL上,利用能量准直器作为第3个压缩级进行了非线性束团压缩,实现了约300as的稳定硬X射线脉冲。

另一方面,可以在束流压缩器的中心放置一个开槽箔片来选择性破坏电子束团的发射度,从而使一小部分电子束发射激光。2017年,Marinelli等通过使用开槽发射扰流器对低电荷电子束进行整形,并通过调整传输光学元件优化了整形精度,最终将脉冲持续时间压缩至百阿秒水平。然而,这些方法主要适用于硬X射线系统。对于软X射线而言,由于滑移效应的限制,这些技术通常只能产生飞秒量级的脉冲输出。 

另一种产生超快脉冲的常见方法是增强自放大自发辐射(enhanced self-amplified spontaneous emission,ESASE)。该技术通过使用少周期激光器或自调制来操纵电子束的纵向分布,然后增强电子束的局部峰值电流,使该部分产生的辐射率先饱和,进而产生数百阿秒的脉冲。自2005年提出以来,ESASE技术已经历了多次迭代更新,国内外科研人员相继提出了双激光调制、电子束能量分布优化等方案来获取孤立的阿秒脉冲。此外,ESASE所使用的少周期激光器功率需达到十GW量级,这种光源不仅难以获得且在高重频FEL装置上无法实现。2018年,上海应用物理研究所的Qi等提出将角色散与几个周期的激光脉冲一并引入ESASE装置来调制电子束。在该过程中,除了能量调制和动量压缩过程外,还引入了横向-纵向相空间耦合。因此,在电子束的窄宽度内,电子束的峰 值电流显著增强,有助于产生超短自由电子激光脉冲。与传统的ESASE方案相比,该方案可以将所需的调制激光功率降低至少一个数量级,同时提高了输出脉冲的信噪比。2020年,Duris 等基于自调制方法在LCLS上获得了孤立的软X射线阿秒脉冲,峰值功率超过100 GW。次年,该团队通过自压缩过程增强了束流剖面中的高电流尖峰,然后,将波荡器锥度与沿光束的能量啁啾相匹配,以产生阿秒XFEL,在光子能量940eV处实现250 asX 射线脉冲。基于ESASE有许多改进方案陆续提 出,已实现峰值功率数百GW的阿秒脉冲。但由于SASE起源于电子束的散粒噪声,最短脉冲持续时间最终受到滑移效应的限制,因此产生持续时间为数十阿秒的稳定和孤立的 X 射线脉冲仍然非常具有挑战性。此外,这些方法产生的阿秒脉冲的脉冲能量为几到10µJ,比正常运行中的SASE XFEL脉冲低2个数量级以上,限制了实际应用。2022 年,中科院上海高等研究院自由电子激光 

团队提出了一种基于回声增强型谐波放大模式FEL,如图 4 所示。此方案采用一个波前旋转的激光对电子束中微聚束结构进行调制。由于种子 FEL对外部激光的敏感性,该方法可以有效地抑制相邻区域的聚束,同时保留中间的部分电子形成有效的孤立微聚束。 模拟结果表明,将这种电子束发送到短波荡器中,可以产生峰值功率为 GW 级、脉冲持续时间短至86 as的超短X射线脉冲。

图4 基于回声增强型谐波放大模式FEL方案示意

2024年5月,美国斯坦福大学的Franz等采用两级级联的X射线自由电子激光器产生太瓦级孤立阿秒脉冲,实验装置如图5所示。基于ESASE技术,通过调制光电阴极发射器获得一个高电流尖峰的电子束用于产生阿秒X射线脉冲,该初始脉冲位于电子束尖峰的前沿,如图5(a)所示。当装置达到饱和时,电子束相对于X射线被磁压缩器延迟。而后,脉冲与没有被ESASE调制或FEL激光改变的电子束(fresh slice)进行相互作用。最后,使用第2个磁波荡器通过阿秒脉冲与fresh slice 的相互作用进一步放大X射线。所获X射线脉冲在软X射线区域的中值能量超过100µJ,最大峰值功率为1.1TW,与已报道的结果相比提升了一个数量级。

图5 级联放大实验原理

同年11月,欧洲自由电子激光与德国电子同步加速器研究所的科研团队提出了一种电子束团自啁啾的方案来产生高功率、高重复率阿秒硬X射线脉冲。实验方案如图6所示。首先,通过优化直线加速器中的束流压缩,对电子束团的电流分布进行整形,使束团首段形成几飞秒的高电流尖峰。然后利用空间电荷效应和相干同步辐射效应等束流自身的集体效应,对高电流部分进行能量调制,引入局部的大能量啁啾。最后,通过在波荡器前优化束流分配结构,实现对高电流尖峰的进一步压缩,获得具有超高峰值流强的电流分布,最终产生高功率阿秒X射线脉冲。该团队首次在实验中成功获得了2.25 MHz重复频率下平均脉冲能量达180µJ的单尖峰阿秒硬X射线脉冲。这种高功率阿秒X射线脉冲可对物质结构和电子特性进行真正的无损检测,为超快电子动力学研究提供了新的应用前景。

图6 电子束团自啁啾方案的基本原理

综上所述,超快XFEL已步入快速发展阶段。随着新技术方案的不断涌现,本领域已取得许多开创性的成果,进一步突破了电子束长和协作长度对XFEL输出脉冲的限制,同时也带来了多种新挑战。随着全球科研团队的持续努力与合作,阿秒 XFEL性能将不断提升,为超快学科领域注入新动力、开拓新视野。

4.小型化自由电子激光技术研究进展

近20年是XFEL的发展黄金时代,全球多个国家已建成XFEL光源并投入使用,这些设施不仅推动了重大科研进展,也在加强国家安全等方面发挥了重要作用,提供了有力技术保障。 然而,值得注意的是,这些XFEL设备通常占地极广,装置长达千米级别,建设成本非常高昂,市价估值高达数十亿人民币,其日常运维成本同样不容小觑。目前全球高质量的电子束是生成高效自由电子激光的关键。如何开发出更紧凑的台式化 XFEL 成为全球科研团队面临的一项重大挑战。 

FEL的核心在于自由电子与辐射场之间的共振关系,根式(1)可知,决定自由电子激光辐射特性的关键物理量是电子能量和波荡周期。因此,促进FEL装置小型化需要从加速系统和波荡器入手。 目前,用以驱动FEL的高能电子束主要借助大型射频加速器来获取。 由于射频加速器加速电子的性能十分有限,因此普遍需要非常大的占地面积。这种限制激发了一个迅速增长的研究领域,即利用等离子体来产生巨大的电场。激光等离子体加速器(laser plasma accelerators,LPAs)是在 1979年由加州大学Tajima等提出的。他们在报告中指出,强电磁脉冲可通过非线性动力学效应的作用产生等离子体振荡,困在尾流中的电子可以被加速到高能状态。相比于传统的射频加速器,LPAs在加速梯度和束流尺寸方面具有显著的优势,其加速梯度在100 GV/ m以上,超过当前射频技术至少3个数量级。这意味着,LPAs可通过米量级的加速距离实现传统射频加速器动辄上千米的加速效果,使自由电子激光的小型化成为可能。

2004 年,英国帝国理工学院、美国劳伦斯伯克利国家实验室、法国应用科学实验室均在实验中获得了基于LPAs的准单能电子束,使激光等离子体电子加速更接近现实。至此,国内外开展了一系列的实验研究,验证了等离子体加速和电子注入的基本思想和方法,所获电子束具有低发射率、飞秒脉冲和高峰值电流强度的特点 ,理论上可以实现高亮度电子束。自2012年,美、德、法、日、意等国家纷纷立项开展台式化自由电子激光的研制。在超强超短脉冲技术的推动下,基于等离子体的激光尾场加速技术取得了巨大的进展。2020年,德国汉堡大学与电子同步加速器研究团队将驱动激光和电子束参数与高统计量相关联,来识别和量化电子能量漂移和抖动的来源。在此基础上,他们提出了一种参数化方法高精度预测电子能量漂移,实现了激光等离子体加速器 24 h 稳定运行。 

然而,LPAs技术距离自由电子激光应用仍面临挑战,其产生的电子束质量和稳定性较差,远不如传统的射频加速器。由于激光等离子体加速过程中加速电场和等离子体密度的内秉矛盾,被加速电子的电荷量成为激光加速的瓶颈。在激光与低密度的气体靶相互作用中,电子束团的发散角 可以很小,但是电荷量一般被限制在几十皮库。相反,采用激光与高密的固体靶相互作用,产生电子束的电荷量可以达到几个纳库量级,但由于准直电场的尺度太短而导致很大的束发散角。 尽管 一些研究团队尝试采用其他固体靶真空激光加速等方案来减小发射度,但效果并不理想。因此, 如何同时获得小发散角和大电荷量的电子束是个挑战性问题。 

2021年,中国科学院上海光学精密机械研究所在国际上率先完成了台式化自由电子激光的实验验证 。基于LWFA的自由电子激光实验示意如图7所示。该团队采用自研的超强超短激光装置来驱动尾波场加速机制,在指数增益状态下对波荡器辐射放大进行了实验演示。 他们设计了一种特殊的等离子体密度分布结构,优化电子束的注入与加速过程,使得电子束的能散、发射度、电量等特性得到有效的提升;通过控制与优化电子束相空间演化实现了电子束从等离子体到真空的平稳过渡,并设计了相应的束流传输与波荡器辐射系统,有效地将电子束长距离传输并耦合进波荡器中。研究团队首次在实验上观测到中心波长27 nm的极紫外辐射信号,最短激光波长可达10 nm,单次发射的最大光子数约为1010,单脉冲辐射能量最高可达150 nJ。这是国际上首次实现台式化基于激光电子尾波场加速器的极紫外波段自发辐射放大输出。

图7 基于LWFA的自由电子激光实验示意

2022年,意大利弗拉斯卡蒂国家实验室提出了一种紧凑型等离子尾波加速器(plasma wakefield acceleration, PWFA)作为FEL的驱动装置,并通过原理验证性实验证明了FEL在等离子尾波场加速器的驱动下可以输出高质量相干激光。高质量的等离子体加速装置具有较低的能量扩散和发射度,可以为电子提供稳定性和可重复性较强的加速过程。该装置使得光束具备沿分段波荡器进行非线性传播的能力,并使FEL输出的脉冲在红外830 nm波段获得指数放大。

正如前文中所述,由于 SASE 模式的固有特性,以上工作获得的脉冲输出是纵向非相干的。2022年,法国SOLEIL实验室报道了一项外种子型激光等离子体加速器驱动的自由电子激光器。该团队使用270 nm的外部种子,分别利用电子和种子激光束的能量和波长啁啾,实现了对自由电子激光辐射波长的控制,并通过观察种子和自由电子激光脉冲之间的锁相干涉条纹,证实了纵向相干性。 

2023年,英格兰斯特拉斯克莱德大学进一步提出了利用 PWFA 产生高亮度亚飞秒电子束,并将其提取、捕获、传输和注入到波荡器中。在此过程中,对电子束不存在质量损失。理论上,这些超亮亚飞秒电子束可以在冷束极限附近驱动硬X-FEL,产生阿秒-埃级的相干 X 射线脉冲,仅需 10 m 的波荡器即可达到饱和。可以看出,LWFA和PWFA都是高效的加速机制,有望成为紧凑型 XFEL 的能量助推器。 

除了上述提出的减小加速系统尺寸之外,优化波荡器结构也是一个有效的FEL小型化途径。在微尺度结构中,激光驱动的表面(或界面上的独特空间)电磁模式是调制自由电子的有效手段。 随着近年来纳米光子学的进步,新兴的2D 材料和微细加工结构显示出在微米甚至纳米尺度上调制光场的巨大能力,为构建“微型波荡器冶带来了新的思路 。例如金属 SPP、石墨烯表面强结合等离子体激光场、2D 材料的新原子级光场,其衍生波荡器可以在不使用高度相对论性电子或高强度激光的情况下产生极高的光子能量辐射。与传统的周期性静磁场波荡器相比,这种微型波荡器不仅缩短了电子波荡调制的周期,同时也缩小了对自由电子能量的要求。2019年,Andrea等提出了一种基于多层石墨烯超材料的等离子体模式波荡器,该方案可以提供与电子束更大的相互作用区域,同时也利用石墨烯等离子体的极端限制来产生高频光子。例如,使用5 MeV的电子可以产生2.7 ~ 12 keV 的光子辐射。 

综上可以看出,LWFA和PWFA都是高效的紧凑型加速机制,在FEL应用方面也取得了阶段性进展。然而在X射线自由电子激光应用中仍面临许多挑战。目前多个研究团队正在努力提升电子束转移到辐射过程的稳定性、重复率和效率。此外,基于石墨烯等超材料的微型波荡器也为动态可调的小型化FEL光源提供了新的可能性。这些技术突破将为未来紧凑型XFEL注入新的生机。

5.我国XFEL研究进展

我国的FEL技术研究始于20世纪80年代,相继实现了拉曼型FEL出光、波荡器自发辐射以及谐振腔型FEL出光。1993年,中国科学院物理研究所推出了亚洲第一台实现饱和振荡的红外FEL装置,命名为北京自由电子激光器(Beijing free electron laser,BFEL)。而后,我国陆续建设了一批FEL光源,但是在高增益短波FEL方面,我国的相关研究工作发展较晚。2009年,中科院上海应用物理研究所建成了上海深紫外自由电子激光装置(Shanghai deep ultraviolet free electron laser,SDUV-FEL),这是我国首台高增益短波长FEL,并先后实现了HGHG和EEHG饱和激光放大。 2014年,中国科学院大连化学物理研究所联合上海应用物理研究所研制SASE型可调极紫外相干光源,并于2016年实现极紫外激光输出,标志着我国完成了国际先进水平的极紫外波段FEL建设。 

目前,我国的X射线波段的FEL还处于初步研究阶段,2014年,由中科院物理研究所杨国桢院士牵头组织了中国科学院部XFEL战略调研组,就我国XFEL的发展战略进行了深入研讨,并提出了“三步走冶战略。在此背景下,上海应用物理研究所和北京大学于2014年启动了上海软X射线自由电子装置(Shanghai soft X-ray free electron laser,SXFEL)项目,这是我国第1台XFEL,也是世界上第3台软X射线自由电子激光装置。该项目于2014年正式启动,并于2016年实现了首次出束。在此基础上,SXFEL得到进一步完善,通过将束流能量由840MeV 提升至1.5 GeV,并延长增设 EEHG-SASE波荡器和光束线站大厅,将输出波长推进至2nm,成为一台涵盖水窗波段(2.2 ~ 4.4 nm) 的XFEL用户装置。2022年,SXFEL完成了自由电子激光谐波驱动自种子运行模式实验演示。在该模式下,FEL输出波长为 2.96 nm,峰值功率为227 MW,脉冲能量为 34.0µJ。该设备已于2023年正式投入开放使用。

图8 上海同步辐射光源外景

上海张江的高重频硬X射线FEL装置(Shanghai high repetition rate XFEL and extreme light facility,SHINE)于2018年正式启动,目前已完成全部关键技术开发及建设。 SHINE是中国唯一一台硬X射线FEL装置,是由连续波超导L波段直线加速器驱动的,能够提供1MHz的高重频电子束团,束团能量高达8 GeV,光子能量可达0.4 ~ 25 KeV,同时含有3条波荡器线、3条光束线以及10个实验站。图9展示了SHINE的总体布局,该装置总长约3.1km,共含有5个工作井,分别为注入器、主加速器、波荡器、光束线与实验站。该设备是全球唯一能够实现硬XFEL与超强超短激光汇聚的新一代X射线大型装置,是国际上最先进的、独具特色的多学科公共科学研究平台,可为物理学、生命科学、材料科学等多领域提供高分辨成像、超快过程探索、物质结构解析等尖端研究技术。该项目是我国建国以来投资最大的国家重大科技基础设施项目,总投资约 100 亿人民币,建设周期 7 年。2025 年初,SHINE 已完成注入器测试验收,束流性能和射频系统幅相稳定性均达到初步设计指标,预计将于2027年完成第二季度的直线加速器调束。上海SHINE装置超导加速模组如图10所示。

图9 上海SHINE装置布局

图10 上海SHINE装置的超导加速模组

此外,基于超导直线加速器的深圳软X射线FEL(S3FEL)项目已于2023年5月通过国家批准。该装置该装置总长约为1.8 km,首批规划建设4条波荡器线,14个实验站。S3FEL 是以科技前沿和产业化需求为牵引,拟实现世界领先的百万赫兹高重频的超导中能自由电子激光输出,电子能量为 2.5 GeV,重复频率达到1MHz,为材料科学、生物医药、环境能源等领域的前沿科学应用提供必要研究技术支撑。深圳超导软X射线自由电子激光装置如图11所示。

图11 深圳超导软 X 射线自由电子激光装置

6. 结论

综上可以看出,X射线自由电子激光技术已进入全球性快速发展阶段,世界各国正竞相开发新的 理论方法与技术途径来推动XFEL向超硬X射线波段、阿秒脉冲、超高亮度、全相干、台式化等方向发展,以满足科学前沿领域应用需求。 目前,我国的光学大型科学装置布局已基本完成,国内的XFEL装置已具备承担大科学研究任务 的能力。此外,我国在超导加速、台式化装置、高重频束流测量等关键技术领域也取得了突破性进展,部分技术成果在国际竞争中保持领先地位。然而,XFEL的发展仍面临一系列挑战。在技术层面,XFEL在输出功率、带宽模式、超短脉冲等性能参数已有显著提升,但仍存在许多理论和技术问题需要进一步探索及实验验证。此外,一些关键部件的国产化研制也是急需突破的重要环节,以减少对外部技术依赖,增强技术自主性。在应用层面,我国目前投入使用的XFEL装置只有上海软XFEL,在X射线荧光分析、光电子谱学、超分辨成像等领域实现了重要科学应用,为材料化学合成、非破坏性检测、药物设计等工业应用提供了技术支持。随着SHINE装置的逐步落成,我国 XFEL在基础科学研究和工业应用中应进一步发挥作用,特别是在如极紫外光刻技术等领域的产业化应用,XFEL技术需要更多地展示其独特优势和应用价值。相信未来, 随着XFEL技术的进一步发展,XFEL将成为我国科技实力的重要标志,推动我国科技前沿的发展和产业技术的升级。