探索世界的进程中，有一束不可替代的光︱走近科学
本栏目由 “世界科学” 和 “赛先生”联合出品
本篇报道围绕2018年上海市自然科学奖一等奖项目“全相干自由电子激光的前沿实验研究与新原理探索”展开，该奖项由中国科学院上海应用物理研究所赵振堂院士领衔的团队获得。
“上帝说，要有光，于是便有了光”，这是圣经《创世记》中对于光的一个记载。
有了光，人类才有了绚丽多彩的世界，有了对抗黑暗的勇气。
光对人类的重要性，怎么描述都不为过。人类进步的历史，也就是一部理解和利用光的历史。
那么光到底是什么？光具有波粒二象性，既是粒子也是电磁波，对它的探索几乎贯穿了整个物理学发展史。
我们都知道，人类能看到的光在光谱上只是很窄的一段，在可见光之外，存在着各种波长的电磁波。它们虽然不能直接帮我们用肉眼观察多彩的世界，但是它们各自都有着不可替代的用武之处，X射线就是其中代表性的一员。
光谱图（图片来自维基百科）
X射线的发现及应用的开拓
X射线最早由德国科学家伦琴在研究阴极射线的时候偶然发现。他揭示了X射线的穿透特性，利用这种特性，他拍下了一位女士手部骨骼的照片。这张带着戒指的照片，成为人类利用X射线的开端。我们今天也常常利用X射线穿透肌肉的能力，进行各种医学检测。
X射线能检测的不仅有我们的身体，还有物质各种尺度的内部构成直至微观结构及动态变化。因为X射线的波长范围为0.001～10纳米（即0.01～100埃），与原子的直径大小（~1埃）正好相符，可以将X射线作为探针，用来探测物质的微观世界，看看内部的原子是怎么排列的以及是如何运动的。
在过去的半个世纪，人们通过相对论电子的同步辐射来产生高亮度X射线。所谓同步辐射，其实就是一个超级大的“电磁炉”：利用接近光速运动的带电粒子在加速运动的时候会释放电磁波的性质，让带电粒子（一般是电子）沿弧形轨道运动，然后在运动的切线方向辐射电磁波，电磁波的波段可覆盖从太赫兹到X射线的区域。上海张江的“上海光源”，就是第三代同步辐射光源，它可为物理学、化学、生物学、材料学等众多领域的科学家提供不可或缺的研究利器。
但是，与传统激光相比，同步辐射X光源没有强相干性。这一点大大限制了它的应用。
如果能造出X射线波段的激光，具备高亮度、高相干性、超短脉冲等特点，那将会大大拓展X射线的应用场景。
1971年，一位叫作约翰·梅迪（John M. J. Madey）的年轻人，提出了不同于传统激光的光放大机制。
只是，由于在短波长没有合适的反射介质，在长达二三十年的时间里，自由电子激光一直停留在红外和可见光波段，没有在短波长方向取得突破性进展。为了将自由电子激光推向短波，人们拓展了思路。
但是，自放大自发辐射由于是靠初始噪声起振的，经过一个持续的放大过程之后，相干性总不是那么理想，尤其是时间相干性。
所以，人们又引入了传统激光来帮助解决问题。人们将传统激光当作外来的“种子”，让它与电子束同时进入波荡器产生共振，由于“种子”的存在，可以抑制电子束初始噪声的影响，这样的方式被叫作外种子型自由电子激光。只不过，这时，输出波长与“种子”的波长息息相关。想要产生短波长的输出光，就要求有短波长的“种子”激光。那么，短波长的“种子”如何得到，就成了关键。
好在，科学家发现了一个天然就存在的好“种子”。那就是电子束中的微聚束。
电子束中的微聚束天然地含有高次谐波分量，我们只需要想办法产生这个微聚束，然后把特定的高次谐波成分挑选出来进行放大，就可以来产生短波的种子型自由电子激光啦。
当然，这还不能让科学家满足，不断追求突破的科学家希望得到更短的波长，于是，又对上面这种自由电子激光进行了改造，发明了级联型高次谐波放大机制和回声谐波放大机制。
所谓级联型高次谐波放大机制，其实理论上很简单，就是把上面说的高次谐波放大方法做成多级串联，首尾相连，前面一级的输出光作为下一级的“种子”，这样，每经过一级，输出波长缩短一点，最终得到我们要的X光波。
原理上简单，但是实现起来却难度不小。比如，电子束在与激光相互作用的时候，难以避免会品质变差，为了每一级都保持电子束和激光配合完好，对电子束和激光的同步技术、品质掌握都提出了很高的要求。
上海的一个研究团队在这方面取得了突破：上海应用物理研究所于2009年建成的我国首个高增益自由电子激光综合研究平台 — —上海深紫外自由电子激光装置SDUV-FEL，成功进行了两级级联的原理验证实验，成功利用1200纳米的种子光，输出了第一级600纳米、第二级300纳米的全相干辐射。
而另一方面，回声谐波放大机制的路径也得到了科学家的关注。这个模式是2009年美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）实验室的根纳季·斯图帕科夫（Gennady Stupakov）博士提出的，一经提出，就吸引了全世界所有自由电子激光领域科学家的目光。很快，一些原理验证实验展开。
回声型谐波放大机制，主要是为了得到超高次的谐波辐射，电子束相空间被拉成一条条“能带”，这种特殊结构的电子束和激光相互作用后，类似回声效应，有可能产生几十次甚至上百次的高次谐波。
最早验证回声谐波机制的实验室有美国 SLAC国家加速器实验室的NLCTA装置，还有中国上海的SDUV-FEL。
我们的SDUV-FEL，首次在国际上实现了3次谐波的回声型谐波放大。实验表明，在适当的条件下，相对于传统种子型机制，回声型谐波放大机制的输出光相干性、带宽、波长稳定性上都有更好的表现。这项实验的成果发表在2012年的《自然-光子学》（Nature Photonics）上，并被选为封面文章，同期刊登了对项目负责人赵振堂的专访，体现了回声谐波放大机制在原理验证方面的重要成果对当前及未来自由电子激光的发展具有的重要意义和深远的影响。
赵振堂院士和项目骨干在工作现场
此后，该团队在新原理探索方面，还提出了级联型回声谐波放大、相位汇聚型谐波放大机制等新型自由电子激光工作模式。
人类努力追求更好光源
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