自1960年西奧多·邁曼創(chuàng)造出世界上第一臺紅外激光器以來，物理學家們一直夢想產(chǎn)生能夠探測超短和超快尺度微小原子和分子的X射線激光脈沖。這一夢想終于在2009年實現(xiàn)，當時世界上第一臺硬X射線自由電子激光器(XFEL)，在美國能源部SLAC國家加速器實驗室的直線加速器相干光源(LCLS)產(chǎn)生了第一束這樣的光，LCLS和其他XFEL在其正常工作模式下的一個限制。

這是每個脈沖具有略微不同的波長分布，并且在脈沖長度和強度上可能存在可變性，有各種方法可以解決這一限制，包括在特定波長“播種”激光器，但這些方法仍然達不到傳統(tǒng)激光器的波長純度。現(xiàn)在，SLAC科學家正在開發(fā)一種微型設(shè)備，受光學激光啟發(fā)的方法，在LCLS上產(chǎn)生更高質(zhì)量的X射線脈沖。新儀器可以擴大X射線激光的覆蓋范圍，在生物、化學、材料科學和物理等領(lǐng)域開辟新的實驗途徑。

其研究的最新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上。加州大學洛杉磯分校(UCLA)著名的物理學名譽教授，研究的合著者克勞迪奧·佩萊格里尼說：隨著X射線科學在未來幾十年繼續(xù)進步，我們需要開始思考更好的技術(shù)。其研究為LCLS的開發(fā)奠定了科學基礎(chǔ)，目前的X射線脈沖質(zhì)量可能暫時有效，但為了繼續(xù)在該領(lǐng)域取得進展，必須不斷想象創(chuàng)造更好X射線脈沖的新的、更好的方法。

循環(huán)方法

幾乎每個光學激光器的核心都有一個振蕩器，它引導光子通過圍繞著所謂增益介質(zhì)的一系列鏡面反射，增益介質(zhì)是一種用于放大光的材料，在每個環(huán)路產(chǎn)生越來越強的光束。最終，釋放出單色的全相干激光束。本研究的目標是設(shè)計一種可以與X射線一起工作的激光振蕩器，這是激光領(lǐng)域的一個長期挑戰(zhàn)。在這個提議的裝置中，研究人員首先從LCLS沿著光束線向下發(fā)射一個初始X射線脈沖。

這種脈沖通過液體射流，在那里產(chǎn)生激發(fā)的原子，產(chǎn)生少量朝同一方向移動的不同顏色的輻射。該激光脈沖通過環(huán)路排列的一系列反射鏡反射。完成循環(huán)后，該脈沖與來自LCLS的第二個X射線脈沖結(jié)合，產(chǎn)生更亮的激光脈沖，然后進行相同的循環(huán)。這一過程重復了幾次，每一次循環(huán)，激光脈沖都會增強，變得更加相干。在最后一個循環(huán)期間，快速切換其中一個反射鏡，允許該激光脈沖退出。

雖小但強大

結(jié)果將是產(chǎn)生一個完全相干的X射線激光脈沖，它比單獨使用XFEL產(chǎn)生的脈沖更亮更純。該項目獲得美國能源部資助為期三年研究的一部分，隨著團隊繼續(xù)開發(fā)該設(shè)備，他們將在即將到來的實驗運行中開始在LCLS測試它。該研究的合著者、SLAC的杰出員工科學家烏韋·伯格曼(Uwe Bergmann)說：我們的目標是在LCLS建造一臺微型儀器，提供最高質(zhì)量的X射線激光脈沖。

并以前所未有的精度在原子和分子水平上探測物質(zhì)，LCLS還有另外兩個正在進行的研究項目XFELO和Rafel，旨在提供帶有振蕩器的精確X射線激光脈沖，同時正在與能源部阿貢國家實驗室和工業(yè)合作伙伴通過能源部資金合作開發(fā)的項目。這個微型型設(shè)備將補充這些更大的儀器及其性能，這項研究將在未來幾十年為LCLS提供令人興奮的研究機會。