X射线激光器

基本原理

　　Ｘ射线激光器被称作自由电子激光器。与传统激光器不同，自由电子激光器并不是通过光照或电流刺激某种物质发射光子，而是使用粒子加速器让极小的电子云穿过磁铁组，这些磁铁把电子推来推去，直到电子释放出光脉冲。传统激光器的激光波长是由发射光子的物质本身的属性决定，而自由电子激光器理论上只需改变电子的能量和磁铁组的排列就可发出各种波长的激光。

类型

　　核激励Ｘ射线激光器

　　用核爆炸产生的强Ｘ射线照射激光工作物质使之形成等离子体、产生Ｘ射线激光的装置。Ｘ射线激光的特点是波长短，在特定方向上有极高的辐亮度。因而核激励Ｘ射线激光器被作为探索研究中的定向能武器之一。核爆炸时，布置在其周围的激光工作物质（一般制成细长的丝）吸收大量辐射能量，成为高温等离子体状态。在一定条件下，通过某种机制，处于低能级的束缚电子被激发到高能级，使高激发态的离子数大于低激发态离子数，形成所谓粒子数反转。这时由于辐射的受激过程，工作介质对一定波长的Ｘ射线具有放大作用。当达到一定程度时便发射Ｘ射线激光，沿激光棒轴向传播。

　　软X射线波段激光器

　　软X射线波段激光器的激光介质主要是使用激光等离子体，已有很多实验室通过电子碰撞泵浦与复合反转，实现了激光等离子体介质中的自发辐射放大。为了使X波段的激光获得广泛应用，努力提高其相干度、压缩线宽是十分必要的。另一个重要的研究方向是获得所谓的“水窗”波段激光，即2.33～4.36nm波长范围的激光，它将为X射线全息术、生物光子学技术等提供有力的工具。为了获得更短波长的激光，显然，要靠更深层次电子的激发，因此需要短波长的脉冲激光器作为X射线激光的驱动器。

最强

　　位于美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）国家加速器实验室内、迄今世界最强大的X射线激光器——直线加速器相干光源（LCLS）于6月30日发表了它自启动以来的项实验成果：其强大而独特的能力，达到了可操纵原子样本上单个电子的水平，从内到外逐个将电子剥离，形成了所谓的“空心原子”。

　　由于体现出了X射线令人惊讶的强度与操控度，该结果让科学界人士大为赞赏；甚至包括研究人员自己在内，直到实验成功才真正相信，X射线已可达到如此精准之地步。

　　SLAC国家加速器实验室隶属美国能源部，40余年来执着于对自然界基本规律的探索，以物理实验手段揭示了许多自然界的秘密。

　　2009年4月，直线加速器相干光源（LCLS）在这里成功诞生。这个巨型激光器长130米，由实验室3公里长的直线粒子加速器提供动力，每次启动发光装置研究人员需花2小时。该设备制成耗时3年，而从计划提出到完成开工准备历时几乎10年。

　　诞生伊始，研究员次使用大功率X射线激光器发出直线连续光，此X射线已经比其他任何人造光源发出的脉冲亮度都要高，测试光的波长为0.15纳米（nm），是当时人类创造的最短波长同时具有能量的光。

　　此后一年时间来LCLS并未发表科研成果，但却一直被视为激光领域“质的飞跃”或“里程碑式的杰作”。因为其完全不同于所有以前的激光器：这是国际上最早提出的第四代光源之一，亦是世界上个发射硬X射线的自由电子激光器。所谓硬X射线，通常定义为能量较高、波长极短的X射线。

　　从原理上来看，LCLS首度结合了原子尺度空间和时间分辨率，以相干量子波的形式输出X射线，是研究人员从以往传统激光器发展出来的新型光源；从效果上来讲，LCLS亮度能比以往光源高10亿倍，产生脉冲短暂到百万分之二纳秒，为满足各种应用需求，LCLS的输出可以在原子、分子和光学领域的不同设备之间进行切换。科学家们预想，经过微调之后的LCLS的脉冲可帮助排列出众多材料的内部原子结构。

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