相干激光器结构：更亮更快更相干

相干激光器结构：更亮更快更相干自由电子激光装置基本构成为此，科学家开始发展新一代相干光源——X射线自由电子激光（FEL）。自由电子激光是高能电子在受磁场作用下发生扭摆的时候，在前进方向上放出的激光。你可以想象一条蛇扭着身子往前爬行，只不过这条“蛇”的速度接近光速，运动路径呈正弦状。自由电子激光装置通常由加速器、波荡器和光束线站系统三部分组成。其典型结构如下所示。光波具有衍射现象，用光探测物体或分辨物体时，光的波长应当与物体的大小或两物体的间距相近或更短。因此，天文学家探测宇宙星球，可以选用无线电波；航空管理者要跟踪飞机，可以选用微波（雷达）。而科学家要研究比可见光波长更短的物体，要“看清”病毒、蛋白质分子甚至金属原子等微观物体，必须选用与这些微观物体大小相近或更短的波长的光束。其中X射线更是探测微观世界的理想工具。常规的X射线光源的亮度和相干性十分有限，这极大地限制了其在科学研究上实现更广泛的应用。转机在20世纪40年

如果从高空俯瞰上海张江科学城，你能看到一只美丽的“鹦鹉螺”，那是上海光源。在“鹦鹉螺”旁边，还有一柄锐利的“光剑”，那就是被称为新一代光源的X射线自由电子激光装置。光源是推动人类文明发展的利器，光源的每一次进步都极大地增强了人们认识和改变未知世界的能力，并有力地推动了科学和技术的发展。

• 探究世界的光

万物生长靠太阳，地球上的大部分生物都需要阳光才能生存。同时，光也是我们认识世界的一个重要工具。

通过光与物质的相互作用，我们就可以观测物体。如：可见光照射人体时，会被反射到我们的眼睛，并被视网膜和视神经所感觉而“看到”人体；而当X射线光照射人体时，则会穿透过人体，并在X光底片上留下影像记录，医院里给患者做X光透视就是这样。

光谱

光波具有衍射现象，用光探测物体或分辨物体时，光的波长应当与物体的大小或两物体的间距相近或更短。因此，天文学家探测宇宙星球，可以选用无线电波；航空管理者要跟踪飞机，可以选用微波（雷达）。而科学家要研究比可见光波长更短的物体，要“看清”病毒、蛋白质分子甚至金属原子等微观物体，必须选用与这些微观物体大小相近或更短的波长的光束。其中X射线更是探测微观世界的理想工具。常规的X射线光源的亮度和相干性十分有限，这极大地限制了其在科学研究上实现更广泛的应用。转机在20世纪40年代出现了。

• X射线自由电子激光

当时，美国通用电气实验室的科学家用电子同步加速器进行实验时发现，利用高能量相对论电子束可以产生高亮度的X射线，由此翻开了同步辐射光源发展的历史篇章。几十年来，同步辐射光源已经历了三代的发展。

第三代同步辐射光源具有平均亮度高、脉冲能量稳定和同时支持多用户运行等诸多优点。然而，受原理限制它也同时存在着峰值亮度较低、脉冲长度较长和纵向没有相干性等缺点。

为此，科学家开始发展新一代相干光源——X射线自由电子激光（FEL）。自由电子激光是高能电子在受磁场作用下发生扭摆的时候，在前进方向上放出的激光。你可以想象一条蛇扭着身子往前爬行，只不过这条“蛇”的速度接近光速，运动路径呈正弦状。自由电子激光装置通常由加速器、波荡器和光束线站系统三部分组成。其典型结构如下所示。

自由电子激光装置基本构成

• 更亮、更快、更相干的光

与目前的同步辐射光源相比，X射线自由电子激光具备超高亮度、飞秒级（1飞秒等于10^-15秒）超短脉冲和相干性的特质，即更亮、更快、更相干。与典型的第三代同步辐射光源相比，X射线自由电子激光的峰值亮度高9个量级，光脉冲短3个量级，相干性提高3个量级以上。那么，X射线自由电子激光能给科学研究带来哪些改变呢？

1.从分子层面挺进原子层面

同步辐射光所能看到的是分子层面的结构，而X射线自由电子激光则能帮助科学家看清原子，乃至电子尺度上的微观世界。显然，这将让科学家的视野延展到更深更远更细微之处，让他们看清以前看不到的细节，从而催生新的科学发现。

2.拍摄“分子电影”

如果说第三代同步辐射光源是为分子“拍照”的话，那么X射线自由电子激光装置就是为分子“拍电影”。也就是说，第三代光源只能让人看到微观世界物质的结构，而第四代光源则能记录下微观世界物质的动态过程。

与人类生活息息相关的很多物理和化学过程，本质上都是原子和分子过程。以往，科学家只能通过静态的图像推测原子和分子的运动；有了这样的超级高速摄影机，科学家就能够观测到更加精细的动态变化，看到分子如何在细胞里“舞蹈”，电子如何从一个分子“跑”向另一个分子……

• 微观世界追光人

2009年上海光源正式对用户开放后，迅速成为支撑众多学科前沿基础研究、高新技术研发的大型实验研究平台，机时一直处于供不应求的状态。

上海应用物理研究所并没有躺在上海光源的功劳簿上，而是在所长赵振堂研究员的带领下，组建了不到30人的自由电子激光团队，马不停蹄地转向了对新一代光源的研究中。

赵振堂研究员

上海应用物理研究所在2009年建成了高增益自由电子激光综合研究平台——上海深紫外自由电子激光装置 （简称深紫外装置），设计目标是在紫外线波段工作。但由于经费和条件有限，深紫外装置大部分是在可见光波段工作。

加速器学科是对装置依赖性非常高的一个研究领域，如何在与国外掌握更先进设备的同行进行竞争，成为摆在自由电子激光团队面前的一个难题。经过深入调研和探讨，研究团队充分利用当前的装置条件，另辟蹊径，选择几个开拓性的方向作为突破口。

经过艰难地攻关，研究团队发展了一种1千电子伏分辨率的束流诊断方法，在此基础上首次实现了回声谐波自由电子激光的放大出光。这是世界上对该理论的首次实验验证，由于这项工作的原创性和重要性，实验结果随即以封面文章形式发表在国际光学顶级期刊《自然·光子学》上，同期刊登了对项目第一完成人赵振堂研究员的专访，研究成果在国际上产生了深远影响。

但是，一束激光的倍频次数是有限制的，往往难以通过这种方式将激光推进到所需的短波波段。为了解决这个难题，研究团队再接再厉，设计了自由电子激光级联实验方案。随后，研究团队在深紫外装置上成功实现了世界首个种子型自由电子激光两级级联辐射，实验结果与理论预期相符，验证了束团刷新以及种子型自由电子激光级联理论。

除此之外，研究团队提出了相位汇聚原理，为相对论束流精确操控提供了一种全新的思路。由于这项原创贡献，研究团队中的邓海啸研究员2015年被授予自由电子激光青年科学家奖，该奖是国际自由电子激光领域授予青年人的最高奖项，邓海啸是获此殊荣的首位国内青年学者。

天道酬勤，上海应用物理研究所自由电子激光研究团队的努力也结出了累累硕果，由赵振堂研究员带领科研团队完成的项目“全相干自由电子激光的前沿实验研究与新原理探索”荣获2018年上海市自然科学奖一等奖。

项目主要完成人（左一为邓海啸研究员）

邓海啸研究员解释全相干

该项目成果被成功用于设计和建设中国科学院大连化学物理研究所的大连相干光源。同时，项目也被采纳为建设中的国家重大科技基础设施——软X射线自由电子激光装置（投资约10亿）和硬X射线自由电子激光装置（投资约100亿）的基准方案。

X射线自由电子激光装置外形狭长，似一柄光剑。它们通常与第三代同步辐射放置于同一园区，从而构成光子科学研究中心。在上海张江也是如此。“鹦鹉螺” “光剑”，强强联手，发出的光照亮微观世界，也照亮人类探索物质奥秘的科学之路。