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      4. X射線自由電子激光:原理、現狀及應用

        作者:趙璇、張文凱 來源:《現代物理知識》 時間:2020-04-18 23:58 閱讀:507 [投稿]
        本文將簡要介紹X射線自由電子激光的基本原理、發展現狀、及其在各學科領域中的應用。

        20 世紀70 年代,研究人員提出了自由電子激光的概念并建造了遠紅外自由電子激光器。隨后,許多國家都開展了相關的理論研究與實驗探索,并于21 世紀初建造了X 射線波段的自由電子激光器。X射線自由電子激光器是一種基于直線電子加速器的大型科學研究裝置,可以產生波長可調的超短超強相干X射線激光脈沖。在過去的十多年中,X 射線自由電子激光引起了科學界的廣泛關注,各個國家的大力投入和支持使其在很短的時間內取得了迅速的發展,在物理、化學、生命科學、材料科學等領域都發揮了重要的作用。本文將簡要介紹X射線自由電子激光的基本原理、發展現狀、及其在各學科領域中的應用。

        一、X 射線自由電子激光簡介

        光子是人類獲取信息、認知世界的最重要的媒介。最初人們借助陽光看到繽紛的世界,而后發明的望遠鏡和顯微鏡將人類的認知范圍拓展到了廣袤的宇宙和細小的微觀世界。但是,受限于光學衍射極限,人們無法借助光學儀器觀測原子尺度的微觀結構,首先突破這一限制的是X射線。1895 年,倫琴在研究陰極射線的過程中發現了X 射線,隨后,X射線的相關研究和應用快速開展。由于X射線的巨大影響,倫琴獲得了1901 年第一屆諾貝爾物理學獎。X射線幫助科學家們在原子層次認識物質世界,催生了包括X射線晶體學在內的一批新穎的研究領域。但是當時產生的X射線沒有相干性、亮度不高、偏振性也很差,這在很大程度上限制了其應用。20 世紀中葉,同步輻射的發現彌補了之前X射線在亮度和偏振性方面的不足,它是接近光速的帶電粒子在徑向加速時沿切線方向發出的電磁輻射,并且其電磁輻射的波長范圍可以通過控制電子速度和磁場強度進行調整。同步輻射光源的出現使得X射線晶體學得到了極大的發展,被廣泛應用于生命科學和材料科學等領域,到目前為止,絕大多數蛋白質的結構仍然是通過X 射線來測定的。但是同步輻射光源產生的X射線依然不具有相干性。不過,在同步輻射出現的同一時代,人類發明了一種高亮度全相干的新型光源——激光。經過半個多世紀的快速發展,激光已經廣泛的應用于科學研究和日常生活中,發揮著不可替代的作用。激光是在增益介質中通過受激輻射產生的,一般特定的增益介質只能產生特定波長的激光。而X射線由于波長極短,目前仍未發現可以用于產生X射線的增益介質,故難以發展X射線激光器。

        在20 世紀70 年代,斯坦福大學的研究人員提出了自由電子激光(FEL)的概念并發明了遠紅外自由電子激光器。自那以后,許多國家都開展了關于自由電子激光的理論與實驗研究,自由電子激光器向著更高能量、更短波長的方向穩步發展。21 世紀初,德國率先建造了X 射線自由電子激光器(XFEL)。顧名思義,XFEL 就是利用自由電子作為介質來產生X射線的激光器。它天然地同時具有X射線和激光的優點,與典型的第三代同步輻射光源相比,XFEL的峰值亮度高9 個數量級,脈沖寬度短3 個數量級,相干性提高3 個數量級以上。這些特點突破了現有常規激光和同步輻射光源的許多禁區,使得XFEL自誕生之日起就備受科學研究者的青睞。

        二、X 射線自由電子激光基本原理

        不同于傳統激光器,FEL的產生過程中沒有增益介質,也不需要粒子數反轉。而是通過將加速至接近光速的電子束的動能轉換為光子能量來產生高亮度的相干激光脈沖。FEL 的波長能夠覆蓋從遠紅外到X射線波段的范圍,并且可以通過改變電子能量、磁場周期和強度來改變輸出激光的波長。FEL 的特點是激光波長和脈沖結構可以根據需要進行設計,并可在大范圍內連續調節。按照放大增益,可將FEL分為低增益和高增益FEL裝置。振蕩器型FEL是典型的低增益FEL裝置,由于缺乏適用于真空紫外及更短的波長的反射材料,振蕩器型FEL 多用于THz 和遠紅外波段。高增益FEL 裝置一般包含電子槍、直線加速器及波蕩器等組成部分。目前,世界上運行及建設中的XFEL裝置主要包括自放大自發輻射(SASE)和高增益高次諧波放大(HGHG)類型。自放大自發輻射的基本原理是直線加速器中的電子束被加速至接近光速,然后該相對論電子束在周期性橫向磁場(波蕩器)作用下以近似正弦軌跡運動,并在電子束運動的切線方向產生自發輻射,初始的自發輻射是低能不相干的且在電子束內均勻分布;沿著電子束運動方向的自發輻射能在波蕩器中與相對論電子束持續耦合,具體來說,發射的光子在每個波蕩器周期內會與電子相互作用,使得電子束密度被自發輻射周期性地調制,并在足夠長的波蕩器內形成微聚束。微聚束又反過來僅放大某些能量的光子,從而加強自發輻射形成正反饋放大直到系統進入飽和狀態,得到FEL(如圖1 所示)。SASE 模式的優點是輸出波長連續可調,并且結構簡單;缺點是其中心波長和脈沖能量的抖動都較大,并且所產生的輻射是部分相干的。為了改善高增益XFEL的相干性,研究人員嘗試引入外種子激光。由于缺乏X射線波段的種子激光,只能采用高次諧波產生作為種子光。但是由于高次諧波技術目前還不成熟,所以直接種子型XFEL的研發并不是很順利。研究人員發現當電子束中包含微聚束時,可以利用共振在種子激光高次諧波頻率的波蕩器來放大該高次諧波輻射,從而發展出了高增益高次諧波放大的外種子型FEL。為了將HGHG進一步向X射線波段推進,研究人員又進一步提出了級聯HGHG和回聲諧波產生(EEHG)運行機制。


          

        圖1.電子束在波蕩器中通過自放大自發輻射產生FEL(該圖選用自物理, 2018,47(8):481,并進行了修改)

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