除了體檢拍片，X射線還有多少?gòu)?qiáng)大的秘密？
光譜圖（圖片來自維基百科）
X射線最早由德國(guó)科學(xué)家倫琴在研究陰極射線的時(shí)候偶然發(fā)現(xiàn)。他揭示了X射線的穿透特性，利用這種特性，他拍下了一位女士手部骨骼的照片。這張帶著戒指的照片，成為人類利用X射線的開端。我們今天也常常利用X射線穿透肌肉的能力，進(jìn)行各種醫(yī)學(xué)檢測(cè)。
X射線能檢測(cè)的不僅有我們的身體，還有物質(zhì)各種尺度的內(nèi)部構(gòu)成直至微觀結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)變化。因?yàn)閄射線的波長(zhǎng)范圍為0.001～10納米（即0.01～100埃），與原子的直徑大小（~1埃）正好相符，可以將X射線作為探針，用來探測(cè)物質(zhì)的微觀世界，看看內(nèi)部的原子是怎么排列的以及是如何運(yùn)動(dòng)的。
在過去的半個(gè)世紀(jì)，人們通過相對(duì)論電子的同步輻射來產(chǎn)生高亮度X射線。所謂同步輻射，其實(shí)就是一個(gè)超級(jí)大的“電磁爐”：利用接近光速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)釋放電磁波的性質(zhì)，讓帶電粒子（一般是電子）沿弧形軌道運(yùn)動(dòng)，然后在運(yùn)動(dòng)的切線方向輻射電磁波，電磁波的波段可覆蓋從太赫茲到X射線的區(qū)域。上海張江的“上海光源”，就是第三代同步輻射光源，它可為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等眾多領(lǐng)域的科學(xué)家提供不可或缺的研究利器。
但是，與傳統(tǒng)激光相比，同步輻射X光源沒有強(qiáng)相干性。這一點(diǎn)大大限制了它的應(yīng)用。
所謂相干性，我們可以類比兩列機(jī)械波發(fā)生顯著干涉現(xiàn)象的條件：頻率相同，相位差恒定，振動(dòng)方向一致。其實(shí)，光波的相干性也是類似的。通常，兩個(gè)獨(dú)立光源發(fā)出的光，不具備這樣的條件，不會(huì)產(chǎn)生明顯的干涉條紋。
而激光為什么可以具有相干性呢？因?yàn)楸举|(zhì)上，激光的產(chǎn)生是一個(gè)受激輻射的過程，當(dāng)電子被激勵(lì)到一個(gè)高能級(jí)的時(shí)候，會(huì)在某個(gè)特定光子的激發(fā)下，躍遷到低能級(jí)，并且釋放出一個(gè)和入射光子完全一致的光子，兩個(gè)光子各方面步調(diào)完全一致，也就是具有相干性。（激光的相干性包括空間相干性和時(shí)間相干性兩方面。空間相干性與發(fā)散角和光場(chǎng)模式有關(guān)，時(shí)間相干性與單色性有關(guān)）?？梢哉f，激光器就是一個(gè)光子的克隆機(jī)，不停地克隆出大量特定能量的光子。
如果能造出X射線波段的激光，具備高亮度、高相干性、超短脈沖等特點(diǎn)，那將會(huì)大大拓展X射線的應(yīng)用場(chǎng)景。
1971年，一位叫作約翰·梅迪（John M. J. Madey）的年輕人，提出了不同于傳統(tǒng)激光的光放大機(jī)制。
他發(fā)現(xiàn)，在周期性磁場(chǎng)中搖擺運(yùn)動(dòng)的高能電子束與光之間也可以發(fā)生相互作用，進(jìn)而輻射和放大出相干光。因?yàn)檫@種機(jī)制中的電子是不被束縛在原子核周圍的自由電子，所以人們正式將其命名為自由電子激光。
只是，由于在短波長(zhǎng)沒有合適的反射介質(zhì)，在長(zhǎng)達(dá)二三十年的時(shí)間里，自由電子激光一直停留在紅外和可見光波段，沒有在短波長(zhǎng)方向取得突破性進(jìn)展。為了將自由電子激光推向短波，人們拓展了思路。
人們發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生自由電子激光的新機(jī)制，在一個(gè)足夠長(zhǎng)的波蕩器里面，電子束和自發(fā)輻射同時(shí)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以和自發(fā)輻射產(chǎn)生一種神奇的相互作用，它們彼此相互激發(fā)，然后將輻射放大直至飽和，不需要反射介質(zhì)。脫離了反射介質(zhì)這個(gè)束縛，自由電子激光的波長(zhǎng)便沒有了限制，這種自我激發(fā)的方式，人們稱之為自放大自發(fā)輻射。
但是，自放大自發(fā)輻射由于是靠初始噪聲起振的，經(jīng)過一個(gè)持續(xù)的放大過程之后，相干性總不是那么理想，尤其是時(shí)間相干性。
所以，人們又引入了傳統(tǒng)激光來幫助解決問題。人們將傳統(tǒng)激光當(dāng)作外來的“種子”，讓它與電子束同時(shí)進(jìn)入波蕩器產(chǎn)生共振，由于“種子”的存在，可以抑制電子束初始噪聲的影響，這樣的方式被叫作外種子型自由電子激光。只不過，這時(shí)，輸出波長(zhǎng)與“種子”的波長(zhǎng)息息相關(guān)。想要產(chǎn)生短波長(zhǎng)的輸出光，就要求有短波長(zhǎng)的“種子”激光。那么，短波長(zhǎng)的“種子”如何得到，就成了關(guān)鍵。
好在，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)天然就存在的好“種子”。那就是電子束中的微聚束。
電子束中的微聚束天然地含有高次諧波分量，我們只需要想辦法產(chǎn)生這個(gè)微聚束，然后把特定的高次諧波成分挑選出來進(jìn)行放大，就可以來產(chǎn)生短波的種子型自由電子激光啦。
當(dāng)然，這還不能讓科學(xué)家滿足，不斷追求突破的科學(xué)家希望得到更短的波長(zhǎng)，于是，又對(duì)上面這種自由電子激光進(jìn)行了改造，發(fā)明了級(jí)聯(lián)型高次諧波放大機(jī)制和回聲諧波放大機(jī)制。
所謂級(jí)聯(lián)型高次諧波放大機(jī)制，其實(shí)理論上很簡(jiǎn)單，就是把上面說的高次諧波放大方法做成多級(jí)串聯(lián)，首尾相連，前面一級(jí)的輸出光作為下一級(jí)的“種子”，這樣，每經(jīng)過一級(jí)，輸出波長(zhǎng)縮短一點(diǎn)，最終得到我們要的X光波。
原理上簡(jiǎn)單，但是實(shí)現(xiàn)起來卻難度不小。比如，電子束在與激光相互作用的時(shí)候，難以避免會(huì)品質(zhì)變差，為了每一級(jí)都保持電子束和激光配合完好，對(duì)電子束和激光的同步技術(shù)、品質(zhì)掌握都提出了很高的要求。
上海的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在這方面取得了突破：上海應(yīng)用物理研究所于2009年建成的我國(guó)首個(gè)高增益自由電子激光綜合研究平臺(tái)——上海深紫外自由電子激光裝置SDUV-FEL，成功進(jìn)行了兩級(jí)級(jí)聯(lián)的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，成功利用1200納米的種子光，輸出了第一級(jí)600納米、第二級(jí)300納米的全相干輻射。
而另一方面，回聲諧波放大機(jī)制的路徑也得到了科學(xué)家的關(guān)注。這個(gè)模式是2009年美國(guó)斯坦福直線加速器中心（SLAC）實(shí)驗(yàn)室的根納季?斯圖帕科夫（Gennady Stupakov）博士提出的，一經(jīng)提出，就吸引了全世界所有自由電子激光領(lǐng)域科學(xué)家的目光。很快，一些原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)展開。
回聲型諧波放大機(jī)制，主要是為了得到超高次的諧波輻射，電子束相空間被拉成一條條“能帶”，這種特殊結(jié)構(gòu)的電子束和激光相互作用后，類似回聲效應(yīng)，有可能產(chǎn)生幾十次甚至上百次的高次諧波。
最早驗(yàn)證回聲諧波機(jī)制的實(shí)驗(yàn)室有美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的NLCTA裝置，還有中國(guó)上海的SDUV-FEL。
中國(guó)的SDUV-FEL，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了3次諧波的回聲型諧波放大。實(shí)驗(yàn)表明，在適當(dāng)?shù)臈l件下，相對(duì)于傳統(tǒng)種子型機(jī)制，回聲型諧波放大機(jī)制的輸出光相干性、帶寬、波長(zhǎng)穩(wěn)定性上都有更好的表現(xiàn)。
這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成果發(fā)表在2012年的《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）上，并被選為封面文章，同期刊登了對(duì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人趙振堂的專訪，體現(xiàn)了回聲諧波放大機(jī)制在原理驗(yàn)證方面的重要成果對(duì)當(dāng)前及未來自由電子激光的發(fā)展具有的重要意義和深遠(yuǎn)的影響。
趙振堂院士和項(xiàng)目骨干在工作現(xiàn)場(chǎng)
