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dongjunzhe

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[交流] 【前沿】世界上第一台X射线激光器——2009年十大科技进展之一

《科学》杂志评选出的2009年十大科技进展中，有一项为“第一台X射线激光器发光”。

这台激光器位于斯坦福线性加速器中心（SLAC），全名为“Linac Coherent Light Source（线性加速器相干光源）”，简称为LCLS。

一般激光器都有三个主要部分：第一是增益介质，光辐射在增益介质里面被放大；第二是泵浦机制，提供能量来源；第三是反馈机制，也就是谐振腔，光辐射在腔里面被高反射率的镜子来回反射，不断放大形成高亮度的相干光源。

还有一类被称作激光放大器的装置，没有谐振腔，光辐射只在介质里面走一次，得到放大。这个X射线激光器就类似于激光放大器。这是因为，X射线具有众人皆知的穿透能力。对于X射线来讲，不存在高反射率的镜子，所以也没办法形成谐振腔。

LCLS激光器本质上是一台自由电子激光。自由电子激光（Free Electron Laser，简称FEL）是所有激光器种类中最复杂的一种，它是John Madey于1976年在斯坦福大学（对了，又是斯坦福）发明的。目前世界上能正常运行的自由电子激光屈指可数（可以算上脚趾头哦）。它和其他种类激光器有很大不同。一般的激光器，无论是固体、液体还是气体介质，它们的电子都被束缚在介质原子内部，都是靠泵浦机制实现介质的粒子数反转（也就是高能级电子数超过低能级电子数），从而使电子从高向低辐射的能量超过从低向高跃迁所吸收的能量，来实现光的放大。而自由电子激光使用了接近光速运行的高能电子束来作为能量来源，电子束运行在真空中，它们本身同时承载了增益介质的作用。这也是“自由电子”这个名字的来由。

但是这个名字同时又容易让人误解，因为电子并非真的不受约束。实际上，自由电子激光的电子束运行在一个交变的磁场中，这个磁场一般由一系列（几十到上百）南北极交替排列的磁铁构成。电子在磁场里运动是要受洛仑兹力约束的，交变的磁场导致了电子的摇摆震荡，从而产生了电磁辐射。值得注意的是，这时候的辐射只是自发辐射，类似于加速器产生的同步辐射。那么自发辐射是如何转变为受激辐射从而最终成为激光呢？这是一个非常复杂的过程，这里不太可能详细介绍。感兴趣的朋友可以看看LCLS网站的一个动画介绍或者这篇文章。

值得注意的是，中文维基说自由电子激光“不依赖于受激发射”，这是不对的，甚至可以说离谱。激光的英文LASER就是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（光的受激辐射放大）”的缩写，而中文“激光”本身也包含了受激辐射的意思。Madey在宣告自由电子激光发明的论文中，题目就是“周期性磁场里轫致辐射的受激发射”。如果不是受激发射，根本就不能称之为激光。

由于自由电子激光里电子辐射的波长依赖于磁场周期、强度、电子束能量等参数，所以自由电子激光的波长可以连续调节，并且具有非常广的调节范围。正是依托于SLAC获得的能量极高的电子，使得LCLS可以获得很短的波长。对于红外和可见光波长，自由电子激光也像一般激光一样可以有谐振腔结构。对于X射线这样的特殊情况，有一种被称作“Self-Amplified Spontaneous Emission（自放大自发辐射，简称SASE）”的自由电子激光。

这里有意思了，刚说完自由电子激光是受激辐射的，现在又冒出自发辐射了。这里所说的自发辐射只是说最初的辐射来源于电子的自发辐射，后来的放大还是要靠受激辐射。SASE FEL不存在谐振腔，光辐射只是随着电子从一头跑到了另一头，没有来回反馈的过程。虽然没有谐振腔的反馈，但是只要周期性磁场足够长，仍然可以得到可观的能量。斯坦福的LCLS总长足有3公里（当然，大部分是加速器的长度，激光长度只占一小部分），峰值功率可以达到10GW。LCLS不仅波长短（1.5到15Å），而且具有很短的脉冲（100飞秒量级），所以可以抓住分子的瞬间状态，为分子拍电影，让人们更深入的了解微观世界。

转自科学网

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