本欄目由 “世界科學(xué)” 和 “賽先生”聯(lián)合出品
本篇報道圍繞2018年上海市自然科學(xué)獎一等獎項目“全相干自由電子激光的前沿實驗研究與新原理探索”展開，該獎項由中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所趙振堂院士領(lǐng)銜的團隊獲得。
“上帝說，要有光，于是便有了光”，這是圣經(jīng)《創(chuàng)世記》中對于光的一個記載。
有了光，人類才有了絢麗多彩的世界，有了對抗黑暗的勇氣。
光對人類的重要性，怎么描述都不為過。人類進步的歷史，也就是一部理解和利用光的歷史。
那么光到底是什么？光具有波粒二象性，既是粒子也是電磁波，對它的探索幾乎貫穿了整個物理學(xué)發(fā)展史。
我們都知道，人類能看到的光在光譜上只是很窄的一段，在可見光之外，存在著各種波長的電磁波。它們雖然不能直接幫我們用肉眼觀察多彩的世界，但是它們各自都有著不可替代的用武之處，X射線就是其中代表性的一員。
光譜圖（圖片來自維基百科）
X射線的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用的開拓
X射線最早由德國科學(xué)家倫琴在研究陰極射線的時候偶然發(fā)現(xiàn)。他揭示了X射線的穿透特性，利用這種特性，他拍下了一位女士手部骨骼的照片。這張帶著戒指的照片，成為人類利用X射線的開端。我們今天也常常利用X射線穿透肌肉的能力，進行各種醫(yī)學(xué)檢測。
X射線能檢測的不僅有我們的身體，還有物質(zhì)各種尺度的內(nèi)部構(gòu)成直至微觀結(jié)構(gòu)及動態(tài)變化。因為X射線的波長范圍為0.001～10納米（即0.01～100埃），與原子的直徑大?。▇1埃）正好相符，可以將X射線作為探針，用來探測物質(zhì)的微觀世界，看看內(nèi)部的原子是怎么排列的以及是如何運動的。
在過去的半個世紀(jì)，人們通過相對論電子的同步輻射來產(chǎn)生高亮度X射線。所謂同步輻射，其實就是一個超級大的“電磁爐”：利用接近光速運動的帶電粒子在加速運動的時候會釋放電磁波的性質(zhì)，讓帶電粒子（一般是電子）沿弧形軌道運動，然后在運動的切線方向輻射電磁波，電磁波的波段可覆蓋從太赫茲到X射線的區(qū)域。上海張江的“上海光源”，就是第三代同步輻射光源，它可為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等眾多領(lǐng)域的科學(xué)家提供不可或缺的研究利器。
但是，與傳統(tǒng)激光相比，同步輻射X光源沒有強相干性。這一點大大限制了它的應(yīng)用。
如果能造出X射線波段的激光，具備高亮度、高相干性、超短脈沖等特點，那將會大大拓展X射線的應(yīng)用場景。
1971年，一位叫作約翰·梅迪（John M. J. Madey）的年輕人，提出了不同于傳統(tǒng)激光的光放大機制。
只是，由于在短波長沒有合適的反射介質(zhì)，在長達二三十年的時間里，自由電子激光一直停留在紅外和可見光波段，沒有在短波長方向取得突破性進展。為了將自由電子激光推向短波，人們拓展了思路。
但是，自放大自發(fā)輻射由于是靠初始噪聲起振的，經(jīng)過一個持續(xù)的放大過程之后，相干性總不是那么理想，尤其是時間相干性。
所以，人們又引入了傳統(tǒng)激光來幫助解決問題。人們將傳統(tǒng)激光當(dāng)作外來的“種子”，讓它與電子束同時進入波蕩器產(chǎn)生共振，由于“種子”的存在，可以抑制電子束初始噪聲的影響，這樣的方式被叫作外種子型自由電子激光。只不過，這時，輸出波長與“種子”的波長息息相關(guān)。想要產(chǎn)生短波長的輸出光，就要求有短波長的“種子”激光。那么，短波長的“種子”如何得到，就成了關(guān)鍵。
好在，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個天然就存在的好“種子”。那就是電子束中的微聚束。
電子束中的微聚束天然地含有高次諧波分量，我們只需要想辦法產(chǎn)生這個微聚束，然后把特定的高次諧波成分挑選出來進行放大，就可以來產(chǎn)生短波的種子型自由電子激光啦。
當(dāng)然，這還不能讓科學(xué)家滿足，不斷追求突破的科學(xué)家希望得到更短的波長，于是，又對上面這種自由電子激光進行了改造，發(fā)明了級聯(lián)型高次諧波放大機制和回聲諧波放大機制。
所謂級聯(lián)型高次諧波放大機制，其實理論上很簡單，就是把上面說的高次諧波放大方法做成多級串聯(lián)，首尾相連，前面一級的輸出光作為下一級的“種子”，這樣，每經(jīng)過一級，輸出波長縮短一點，最終得到我們要的X光波。
原理上簡單，但是實現(xiàn)起來卻難度不小。比如，電子束在與激光相互作用的時候，難以避免會品質(zhì)變差，為了每一級都保持電子束和激光配合完好，對電子束和激光的同步技術(shù)、品質(zhì)掌握都提出了很高的要求。
上海的一個研究團隊在這方面取得了突破：上海應(yīng)用物理研究所于2009年建成的我國首個高增益自由電子激光綜合研究平臺 — —上海深紫外自由電子激光裝置SDUV-FEL，成功進行了兩級級聯(lián)的原理驗證實驗，成功利用1200納米的種子光，輸出了第一級600納米、第二級300納米的全相干輻射。
而另一方面，回聲諧波放大機制的路徑也得到了科學(xué)家的關(guān)注。這個模式是2009年美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）實驗室的根納季·斯圖帕科夫（Gennady Stupakov）博士提出的，一經(jīng)提出，就吸引了全世界所有自由電子激光領(lǐng)域科學(xué)家的目光。很快，一些原理驗證實驗展開。
回聲型諧波放大機制，主要是為了得到超高次的諧波輻射，電子束相空間被拉成一條條“能帶”，這種特殊結(jié)構(gòu)的電子束和激光相互作用后，類似回聲效應(yīng)，有可能產(chǎn)生幾十次甚至上百次的高次諧波。
最早驗證回聲諧波機制的實驗室有美國 SLAC國家加速器實驗室的NLCTA裝置，還有中國上海的SDUV-FEL。
我們的SDUV-FEL，首次在國際上實現(xiàn)了3次諧波的回聲型諧波放大。實驗表明，在適當(dāng)?shù)臈l件下，相對于傳統(tǒng)種子型機制，回聲型諧波放大機制的輸出光相干性、帶寬、波長穩(wěn)定性上都有更好的表現(xiàn)。這項實驗的成果發(fā)表在2012年的《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）上，并被選為封面文章，同期刊登了對項目負(fù)責(zé)人趙振堂的專訪，體現(xiàn)了回聲諧波放大機制在原理驗證方面的重要成果對當(dāng)前及未來自由電子激光的發(fā)展具有的重要意義和深遠(yuǎn)的影響。
趙振堂院士和項目骨干在工作現(xiàn)場
此后，該團隊在新原理探索方面，還提出了級聯(lián)型回聲諧波放大、相位匯聚型諧波放大機制等新型自由電子激光工作模式。
人類努力追求更好光源
“世界科學(xué)”聯(lián)合“賽先生”微信公號，在上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助下，開辟“走近科學(xué)”欄目，對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行科普化報道。
