自1960年西奧多·邁曼創(chuàng)造出世界上第一臺(tái)紅外激光器以來(lái),，物理學(xué)家們一直夢(mèng)想產(chǎn)生能夠探測(cè)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(mèng)想終于在2009年實(shí)現(xiàn),，當(dāng)時(shí)世界上第一臺(tái)硬X射線自由電子激光器(XFEL),，在美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)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(gè)限制,。

這是每個(gè)脈沖具有略微不同的波長(zhǎng)分布,，并且在脈沖長(zhǎng)度和強(qiáng)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(zhǎng)“播種”激光器,，但這些方法仍然達(dá)不到傳統(tǒng)激光器的波長(zhǎng)純度。現(xiàn)在,，SLAC科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)一種微型設(shè)備,，受光學(xué)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(kuò)大X射線激光的覆蓋范圍,，在生物、化學(xué),、材料科學(xué)和物理等領(lǐng)域開(kāi)辟新的實(shí)驗(yàn)途徑,。

其研究的最新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)著名的物理學(xué)名譽(yù)教授,，研究的合著者克勞迪奧·佩萊格里尼說(shuō)：隨著X射線科學(xué)在未來(lái)幾十年繼續(xù)進(jìn)步,，我們需要開(kāi)始思考更好的技術(shù)。其研究為L(zhǎng)CLS的開(kāi)發(fā)奠定了科學(xué)基礎(chǔ),，目前的X射線脈沖質(zhì)量可能暫時(shí)有效,，但為了繼續(xù)在該領(lǐng)域取得進(jìn)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(gè)光學(xué)激光器的核心都有一個(gè)振蕩器,，它引導(dǎo)光子通過(guò)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(gè)環(huán)路產(chǎn)生越來(lái)越強(qiáng)的光束,。最終，釋放出單色的全相干激光束,。本研究的目標(biāo)是設(shè)計(jì)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(gè)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。在這個(gè)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(gè)初始X射線脈沖,。

這種脈沖通過(guò)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(dòng)的不同顏色的輻射,。該激光脈沖通過(guò)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(lái)自LCLS的第二個(gè)X射線脈沖結(jié)合,，產(chǎn)生更亮的激光脈沖，然后進(jìn)行相同的循環(huán),。這一過(guò)程重復(fù)了幾次,，每一次循環(huán)，激光脈沖都會(huì)增強(qiáng),，變得更加相干,。在最后一個(gè)循環(huán)期間，快速切換其中一個(gè)反射鏡,，允許該激光脈沖退出,。

雖小但強(qiáng)大

結(jié)果將是產(chǎn)生一個(gè)完全相干的X射線激光脈沖，它比單獨(dú)使用XFEL產(chǎn)生的脈沖更亮更純,。該項(xiàng)目獲得美國(guó)能源部資助為期三年研究的一部分,，隨著團(tuán)隊(duì)繼續(xù)開(kāi)發(fā)該設(shè)備，他們將在即將到來(lái)的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中開(kāi)始在LCLS測(cè)試它,。該研究的合著者,、SLAC的杰出員工科學(xué)家烏韋·伯格曼(Uwe Bergmann)說(shuō)：我們的目標(biāo)是在LCLS建造一臺(tái)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(cè)物質(zhì),，LCLS還有另外兩個(gè)正在進(jìn)行的研究項(xiàng)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(shí)正在與能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)合作伙伴通過(guò)能源部資金合作開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目,。這個(gè)微型型設(shè)備將補(bǔ)充這些更大的儀器及其性能,，這項(xiàng)研究將在未來(lái)幾十年為L(zhǎng)CLS提供令人興奮的研究機(jī)會(huì)。