European XFEL阿秒硬X射线峰值强度达到约10^20 W/cm²

在具有交替极化永磁体的波荡器中，一团摆动的电子云会发出短促而尖锐的X射线脉冲。[图片：Tobias Wüstefeld，European XFEL]

研究人员通过全反射光学器件聚焦欧洲X射线自由电子激光（XFEL）的阿秒脉冲，创造了此类硬X射线脉冲的峰值强度纪录（Optica，doi:10.1364/OPTICA.613284）。科学家希望，约10²⁰ W/cm²的峰值强度能够推动对原子和分子动力学的新研究。

“几年前，我们在欧洲XFEL展示了太瓦级硬X射线阿秒脉冲，”作者、德国电子同步加速器研究所（DESY）的Jiawei Yan说。“但产生强大的脉冲只是第一步。对于实验而言，真正重要的是我们能向样品交付什么。借助这一进展，我们现在可以利用阿秒X射线探索X射线与物质之间高度非线性的相互作用。”

超长激光器，超短脉冲

欧洲XFEL由一个12国组成的联盟管理，横贯德国汉堡附近地下3.4公里的土地。在光束线的起点，超导腔将电子加速至高达17.5 GeV的能量，每秒产生27,000个脉冲。被加速的电子随后飞速穿过专门设计的波荡器的磁场，在那里通过自放大自发辐射产生波长为0.05至4.7 nm的X射线。

硬X射线脉冲的峰值强度——通过将XFEL的注量除以脉冲持续时间来测量——是实验中产生某些非线性效应的关键指标。

开展最新研究工作的跨国团队由德国DESY的Jiawei Yan、日本大阪大学的Jumpei Yamada，以及日本东京大学和德国汉堡大学的Ichiro Inoue领导。

创纪录强度

为了达到创纪录的峰值强度，研究团队利用了欧洲XFEL的自啁啾运行模式，该模式可提升阿秒脉冲的能量。随后，X射线在名为高级柯克帕特里克-贝（Kirkpatrick-Baez）镜系统的光学组件的镀铱聚焦镜上反射四次，该系统是日本为位于美国的直线加速器相干光源（LCLS）开发的。经这些镜片在垂直和水平方向聚焦后，脉冲落在尺寸仅为180 × 330 nm的焦斑上——大约比人类头发的横截面小10万倍。

为验证峰值强度，研究人员用阿秒脉冲轰击一片20 μm厚的铜箔。X射线与铜原子之间的非线性相互作用产生了原子的放大自发辐射（ASE）——在这一过程中，电子从内壳层逸出，留下空穴，由其他电子填充，这些电子发射出自身的X射线，从而放大信号。

“看到这一现象发生简直近乎神奇，”欧洲XFEL MID仪器组长Anders Madsen说，“普通荧光会向各个方向发射，与入射束的方向无关。但当跨过ASE阈值时，你会看到光锥开始向前方凝聚。”研究人员表示，他们的方法有望实现对电子在原子和分子中行为的详细研究，长远来看甚至可能在化学反应过程中实现对电子的控制。