提升X射線自由電子激光的相干性

北京大學 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)可產生埃米波長的飛秒和阿秒脈沖，使直接觀測超快結構與電子動力學成為可能。XFEL目前還缺少一種對于精密光學科學十分重要的特性——時域穩定的相位相干性。大多數XFEL采用自放大自發輻射(SASE)模式，其輻射源于電子束中的微觀散粒噪聲。該模式雖能產生極高亮度的脈沖，但脈沖的時域特性在不同脈沖間隨機漲落，限制了其在相位敏感測量中的應用，如精密計量、干涉測量和超快光譜。來自瑞士保羅謝勒研究所和蘇黎世聯邦理工學院的Wenxiang Hu及其團隊報告了一項期待已久的關于SASE的進展——首次通過實驗實現了“鎖?！钡腦FEL。

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

在傳統激光器中，腔內共振模式被稱為縱模，它們之間的頻率間隔相等。鎖模技術旨在鎖定各縱模之間的相位關系。如果沒有鎖模，這些模式將各自獨立振蕩，它們相位的隨機疊加會導致光發射在時間上呈現噪聲一樣的隨機變化。鎖模會同步這些模式的相位，從而使模式間的疊加周期性增強，產生周期性重復的超短脈沖。這一原理是現代光學從飛秒光譜學到光學頻率梳多個領域的基石。

然而，XFEL沒有實體諧振腔，因此不存在基于諧振腔定義的縱模。它讓電子束團一次性穿過一系列波蕩器，同時發射X射線輻射。研究表明，通過在波蕩器模塊之間插入束團壓縮器，可以在放大級之間引入固定的時間延遲，從而定義出一系列梳狀的頻率分布(有時被稱為“合成”的縱模)。

Hu及其合作者將磁壓縮器與調制器相結合，使用激光器以等于縱模間距的頻率對電子束能量進行調制(如圖所示)。隨后發射出的X射線在固定的相位關系下被放大。產生的脈沖在時域上是結構化的阿秒脈沖串，脈沖間隔為數飛秒；在頻域上呈現高對比度的頻率梳結構，且具備良好的可重復性。

這個實驗顯示了盡管輻射起始于對噪聲的放大，卻可以實現相位相干性。激光還應具有光子統計特性，它由二階關聯函數g2(τ)表征，量化光的強度(或光子數)的漲落。其中，零延時處的值g2(0)最為重要，它測量的是多個光子在同一時刻到達的概率。一個理想的單模激光器g2(0)=1，對應著泊松光子統計，即光子彼此獨立，沒有聚束的傾向。在德國的FLASH和韓國的PAL-XFEL上的測量表明，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，因此其光子統計特性預計仍是非泊松的。

如果將SASE-XFEL與外部種子注入的自由電子激光進行對比，后者從種子激光中獲取相干性，從而實現了光譜純度和重復性都極為出色的脈沖。在意大利FERMI 的 DiProI光束線上，光子相關性實驗測得g2(0)≈1，證明其接近激光的光子統計特性。在要求激光具有嚴格量子光學相干性的應用中，鎖模SASE-XFEL無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(20—200 nm)，因此，XFEL提供了一種在更短波長上的方案。Hu展示的正是2. 5 nm短波長的軟X射線。

相位鎖定的阿秒X射線脈沖串的出現，使諸如Ramsey型干涉測量這類在光學物理中已很成熟的強大且精密的光譜技術，可能在X射線波長范圍內實現。更寬泛地說，這項工作帶來了概念上的轉變：XFEL不再局限于產生“盡可能短的脈沖”，而是開始提供可剪裁的X射線波形，從而驅動原子、固體及低密度物質沿著特定的量子路徑演化。

正如光學頻率梳重塑了精密光譜學一樣，X射線頻率梳同樣可能徹底改變我們在物質最基礎的尺度上對其進行探測乃至操控的方式。

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