X射线自由电子激光：原理、现状及应用

由于XFEL卓越的性能及其在基础学科发展领域和科技创新方面的广泛应用，多个国家和机构大力投入积极开展XFEL装置的建设。目前，建成并投入使用的XFEL装置包括德国电子同步加速器实验室的FLASH 软X 射线自由电子激光装置(FLASH)、美国SLAC 国家加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)、日本理化学研究所的SACLA 装置(SACLA)、意大利FERMI 软X 射线自由电子激光装置(FERMI)、欧洲X射线自由电子激光装置(European-XFEL)、韩国浦项自由电子激光装置(PAL-XFEL)、以及瑞士自由电子激光装置(SwissFEL)。除此之外，许多国家正在建设或计划在不久的将来建设X射线自由电子激光器，例如正在建设中的美国直线加速器相干光源二期(LCLSII)。我国也在早年就提出了建设FEL 的逐步实施规划，早在1994 年就建成了中红外波段的北京自由电子激光装置(BFEL)，率先在亚洲实现了饱和出光。鉴于国外FEL装置的快速发展，以及国内科学界的迫切需求，最近国家大力支持FEL装置的建设,并取得了丰硕的成果。极紫外波段的大连相干光源(DCLS)和位于成都的高平均功率太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)于2017 年相继建成；上海软X射线自由电子激光试验装置(SH-XFEL Test Facility)也于2017 年出光，目前正在进行升级改造成为用户装置——上海软X 射线自由电子激光装置(SXFEL)；基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置(FELiChEM)也将于2019 年完成验收并对用户开放。上海高重复频率硬X射线自由电子激光装置(SHINE)也于2018年4月破土动工。目前国际上XFEL装置的光子能量范围见图2。

　　

图2.国际上各XFEL装置的光子能量范围

特别值得指出的是，超短超强XFEL 脉冲的出现使得人们能够研究原子尺度的飞秒超快过程。基于泵浦——探测方法的飞秒X射线技术是以纳米空间分辨率和飞秒时间分辨率直接研究超快动力学的最有力工具之一。其过程为：先利用飞秒激光脉冲泵浦样品使其处于激发态，而后利用延迟的飞秒X射线脉冲进行探测。在过去的几年中，人们发展了飞秒X 射线吸收光谱、飞秒X 射线发射光谱、飞秒共振非弹性X射线散射、飞秒X射线衍射、飞秒X射线漫散射、飞秒X射线磁圆二色性、飞秒角分辨光电子能谱等一系列新技术。其中，X射线吸收光谱(XAS)探测的是芯能级电子与未占据轨道的信息，而X射线发射光谱(XES)则反映了芯能级电子空穴与占据轨道的信息。当入射光子能量的一部分被转移到系统中，使得入射和出射光子的能量彼此不同时，就会发生共振非弹性X 射线散射(RIXS)过程。RIXS 可以用来探测样品的原子轨道、电荷、电子自旋与轨道耦合和磁自由度等信息。X射线漫散射则是研究非晶系统结构的一个有效的方法。这些实验方法的发展和应用已经在各学科领域产生了大量有影响力的成果，并催生了一系列新现象的发现。本文下面几节将简要介绍XFEL 在物理、化学、生命科学和材料科学中的应用。如果读者想要深入了解相关领域的进展，可以参阅《物理》杂志2018 年第七期和第八期的X射线自由电子激光专题。

三、X 射线自由电子激光在物理学中的应用

超短超强的XFEL脉冲能够产生一些极端条件下的奇异物态。比如，在LCLS开展的首批实验中，Young 等人观测了氖原子在强场中的电离过程。实验表明，聚焦的超强飞秒X射线脉冲能在100 飞秒内将氖原子的所有10 个电子依次剥离：内层的1s电子首先吸收一个光子而被电离，紧接着外层电子通过俄歇过程填补1s 轨道；接下来光电离和俄歇过程依次重复直到只剩两个1s 电子因而无法再发生俄歇过程；如果光子能量大于Ne9+离子的电离能，那么氖原子的所有十个电子都会被X 射线电离。而如果光子能量小于某个中间离子态Nen+的电离能，那么Nen+就不会被继续电离(如图3 所示)。