研究人员采用获得诺贝尔奖的方法来设计新的超强大X射线系统

如果科学家想突破X射线激光等领域的界限，他们可能需要创造一些新技术。但偶尔也不需要重新发明轮子。相反，科学家只是想出了一种使用它的新方法。

现在，能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员已经完成了这项工作，以努力推动该实验室的直线加速器相干光源(LCLS)X射线自由电子激光器(XFEL)的功能。通过采用一种称为啁啾脉冲放大(CPA)的现代超强光学激光脉冲技术，SLAC团队设计了一种能够产生比以前强十倍的X射线脉冲的系统，同时保持在LCLS现有的自由电子范围内激光基础设施。

该团队于11月18日在PhysicalReviewLetters上发表了他们的结果。

“目前来自自由电子激光器的X射线激光脉冲的峰值功率约为100吉瓦，通常具有复杂和随机的结构，”SLAC和斯坦福大学的博士后学者、新研究的主要作者李浩源说。.

通过X射线的线性调频脉冲放大，“我们已经证明，我们可以同时实现大于1太瓦峰值功率和约1飞秒脉冲持续时间的非常有影响力的光束参数。”

即使是最好的激光也有其局限性

LCLS的工作原理类似于原子分辨率相机，可在极短的时间内拍摄分子和材料中最微小变化的快照。它产生的超亮、超快X射线脉冲对生物分子动力学、实验室天体物理学研究以及光子与物质相互作用的观察等领域的许多应用和科学研究都具有极大的意义。

然而，增加激光的功率会使激光脉冲的时间不一致。这种不一致反过来会造成系统正在发生的事情的扭曲或不准确的图像——科学家们迫切希望避免这种情况。该问题的现有解决方案显着降低了激光功率，限制了研究人员的工作。

由于这些限制，“在过去十年的XFEL激光实验中，超过90%的实验都像使用超快手电筒一样使用X射线源，”SLAC高级科学家、该研究的高级合著者DilingZhu说。“就我们如何使用光学激光器而言，很少有人真正将它用作‘激光器’。我们才刚刚开始学习如何操纵X射线束，就像我们几十年来对光学激光器所做的那样。”

鸣叫的X射线

CPA最初是为增加光学激光器的功率而设计的，它的工作原理是在能量脉冲通过放大器之前拉伸能量脉冲的持续时间，最后通过压缩器逆转第一步中完成的拉伸。结果是超强、干净和超短的脉冲。

罗切斯特大学的物理学家DonnaStrickland和GérardMourou在1980年代发明了CPA，并因其工作获得了2018年诺贝尔物理学奖。李说，虽然CPA彻底改变了光学激光器的高能脉冲生成，但事实证明该技术难以适应X射线波长。

通过设计和实现埃波长的晶体光学系统，李和他的同事了解了X射线如何在称为不对称布拉格反射的过程中从晶体反射和分散。

“然后我们意识到可以使用不对称布拉格反射来实现CPA机制，”李说。“然后我们的X射线光学团队和加速器物理团队共同合作，根据具有真实光束参数的模拟来优化设计。”

触手可及的X射线脉冲

通过详细的数值建模，研究人员设计了一种CPA方法，用于在现有自由电子激光器的光束参数范围内生成高强度硬X射线脉冲。如此强大的硬X射线脉冲的其他设计依赖于当前技术无法达到的过于乐观的参数。

“我们的新系统表明，我们可以利用现有的自由电子激光设备产生太瓦级的飞秒硬X射线脉冲，”包括SLAC的LCLS，Li说。

下一步是构建系统，这将是一项重大的工程工作。“我们想通过实验证明，我们可以从微型原型开始，构建满足系统设计规范所需的拉伸器和压缩机，”李说。

朱说，该团队希望继续努力。他说：“将许多令人兴奋的、优雅的光学激光技术的经验教训应用到X射线波长上，可以使我们在未来获得更明亮的X射线激光源。”