科学网—微观世界的闪光灯录像机
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2024-12-15 20:45
| 个人分类: 科学评论 | 系统分类: 科普集锦
微观世界的闪光灯录像机——自由电子激光装置
罗会仟
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。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。
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。
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。
【作者注】本文刊载于科普中国，此文稿件原文。
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