提升X射線自由電子激光的相干性

北京大學(xué) 王樹峰 編譯自Fulvio Parmigiani. Physics， December 23，2025

本文選自《物理》2026年第3期

X射線自由電子激光(XFEL)可產(chǎn)生埃米波長(zhǎng)的飛秒和阿秒脈沖，使直接觀測(cè)超快結(jié)構(gòu)與電子動(dòng)力學(xué)成為可能。XFEL目前還缺少一種對(duì)于精密光學(xué)科學(xué)十分重要的特性——時(shí)域穩(wěn)定的相位相干性。大多數(shù)XFEL采用自放大自發(fā)輻射(SASE)模式，其輻射源于電子束中的微觀散粒噪聲。該模式雖能產(chǎn)生極高亮度的脈沖，但脈沖的時(shí)域特性在不同脈沖間隨機(jī)漲落，限制了其在相位敏感測(cè)量中的應(yīng)用，如精密計(jì)量、干涉測(cè)量和超快光譜。來(lái)自瑞士保羅謝勒研究所和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Wenxiang Hu及其團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一項(xiàng)期待已久的關(guān)于SASE的進(jìn)展——首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了“鎖?！钡腦FEL。

鎖模X射線自由電子激光(XFEL)。在調(diào)制器部分，一束外部激光將周期性的能量調(diào)制施加于輸入的電子束上。緊隨其后的16個(gè)單元，每個(gè)單元包含一個(gè)束團(tuán)壓縮器和一個(gè)波蕩器，最終輸出阿秒脈沖串

在傳統(tǒng)激光器中，腔內(nèi)共振模式被稱為縱模，它們之間的頻率間隔相等。鎖模技術(shù)旨在鎖定各縱模之間的相位關(guān)系。如果沒有鎖模，這些模式將各自獨(dú)立振蕩，它們相位的隨機(jī)疊加會(huì)導(dǎo)致光發(fā)射在時(shí)間上呈現(xiàn)噪聲一樣的隨機(jī)變化。鎖模會(huì)同步這些模式的相位，從而使模式間的疊加周期性增強(qiáng)，產(chǎn)生周期性重復(fù)的超短脈沖。這一原理是現(xiàn)代光學(xué)從飛秒光譜學(xué)到光學(xué)頻率梳多個(gè)領(lǐng)域的基石。

然而，XFEL沒有實(shí)體諧振腔，因此不存在基于諧振腔定義的縱模。它讓電子束團(tuán)一次性穿過(guò)一系列波蕩器，同時(shí)發(fā)射X射線輻射。研究表明，通過(guò)在波蕩器模塊之間插入束團(tuán)壓縮器，可以在放大級(jí)之間引入固定的時(shí)間延遲，從而定義出一系列梳狀的頻率分布(有時(shí)被稱為“合成”的縱模)。

Hu及其合作者將磁壓縮器與調(diào)制器相結(jié)合，使用激光器以等于縱模間距的頻率對(duì)電子束能量進(jìn)行調(diào)制(如圖所示)。隨后發(fā)射出的X射線在固定的相位關(guān)系下被放大。產(chǎn)生的脈沖在時(shí)域上是結(jié)構(gòu)化的阿秒脈沖串，脈沖間隔為數(shù)飛秒；在頻域上呈現(xiàn)高對(duì)比度的頻率梳結(jié)構(gòu)，且具備良好的可重復(fù)性。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)顯示了盡管輻射起始于對(duì)噪聲的放大，卻可以實(shí)現(xiàn)相位相干性。激光還應(yīng)具有光子統(tǒng)計(jì)特性，它由二階關(guān)聯(lián)函數(shù)g2(τ)表征，量化光的強(qiáng)度(或光子數(shù))的漲落。其中，零延時(shí)處的值g2(0)最為重要，它測(cè)量的是多個(gè)光子在同一時(shí)刻到達(dá)的概率。一個(gè)理想的單模激光器g2(0)=1，對(duì)應(yīng)著泊松光子統(tǒng)計(jì)，即光子彼此獨(dú)立，沒有聚束的傾向。在德國(guó)的FLASH和韓國(guó)的PAL-XFEL上的測(cè)量表明，SASE XFEL的g2(0)值顯著大于1。由于目前的鎖模方案仍是基于SASE，因此其光子統(tǒng)計(jì)特性預(yù)計(jì)仍是非泊松的。

如果將SASE-XFEL與外部種子注入的自由電子激光進(jìn)行對(duì)比，后者從種子激光中獲取相干性，從而實(shí)現(xiàn)了光譜純度和重復(fù)性都極為出色的脈沖。在意大利FERMI 的 DiProI光束線上，光子相關(guān)性實(shí)驗(yàn)測(cè)得g2(0)≈1，證明其接近激光的光子統(tǒng)計(jì)特性。在要求激光具有嚴(yán)格量子光學(xué)相干性的應(yīng)用中，鎖模SASE-XFEL無(wú)法替代種子注入型的自由電子激光。然而，后者僅能覆蓋真空紫外波長(zhǎng)(20—200 nm)，因此，XFEL提供了一種在更短波長(zhǎng)上的方案。Hu展示的正是2. 5 nm短波長(zhǎng)的軟X射線。

相位鎖定的阿秒X射線脈沖串的出現(xiàn)，使諸如Ramsey型干涉測(cè)量這類在光學(xué)物理中已很成熟的強(qiáng)大且精密的光譜技術(shù)，可能在X射線波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。更寬泛地說(shuō)，這項(xiàng)工作帶來(lái)了概念上的轉(zhuǎn)變：XFEL不再局限于產(chǎn)生“盡可能短的脈沖”，而是開始提供可剪裁的X射線波形，從而驅(qū)動(dòng)原子、固體及低密度物質(zhì)沿著特定的量子路徑演化。

正如光學(xué)頻率梳重塑了精密光譜學(xué)一樣，X射線頻率梳同樣可能徹底改變我們?cè)谖镔|(zhì)最基礎(chǔ)的尺度上對(duì)其進(jìn)行探測(cè)乃至操控的方式。

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