研究人员向开发腔基 X 射线激光技术迈出重要一步

其中一个空腔真空室的俯视图。在左上角和左下角可以看到两块金刚石反射镜，每块反射镜都安装在四个马达上，马达可以控制反射镜的角度和位置。右上角，将 X 射线脉冲带入腔室的精密钻石光栅安装在屏幕支架上。资料来源：Diling Zhu/SLAC 国家加速器实验室

研究人员宣布，在开发新一代技术，使 X 射线自由电子激光脉冲更明亮、更稳定方面迈出了重要一步。他们使用精确排列的高质量合成金刚石镜面，引导 X 射线激光脉冲在真空室内的矩形赛道上运行。

像这样的装置是腔基 X 射线自由电子激光器或 CBXFEL 的核心，科学家们正在设计这种激光器，以使 X 射线激光脉冲更明亮、更纯净，更像现在的普通激光束。

"能源部SLAC国家加速器实验室里纳相干光源（LCLS）X射线激光器主任迈克-邓恩（Mike Dunne）说："空腔型X射线自由电子激光器的成功交付将标志着新一代X射线科学的开始，因为它提供了光束性能上的巨大飞跃。

"他说："在我们达到目标之前，还有许多挑战需要克服。"但这第一步的综合演示非常鼓舞人心，表明我们拥有维持高腔性能所需的方法和工具。

SLAC 研究团队在《自然-光子学》上发表的一篇论文中介绍了他们的工作。他们说，早期的结果非常令人鼓舞，实验室已经在与能源部阿贡国家实验室（该实验室在该课题上的长期合作者）合作，在 LCLS 的起落架隧道中设计和安装下一个更大版本的实验空腔系统。

SLAC 和斯坦福大学的博士生雷切尔-马格拉夫（Rachel Margraf）和 SLAC 科学家加布里埃尔-马库斯（Gabriel Marcus）在实验控制室里对准空腔的四面钻石水晶镜面。镜子出现在左上方的两个显示器中；桌面上的显示器用于控制对镜子进行微小角度调整的电机。资料来源：Diling Zhu/SLAC 国家加速器实验室

让 X 射线激光脉冲更像激光

尽管名为激光脉冲，但 X 射线激光脉冲还不完全像激光。它们是通过让加速电子在被称为 "起伏器 "的磁铁组中摆动而产生的。这迫使它们发出 X 射线，X 射线被塑造成强大的脉冲，用于探测原子尺度的物质。在 LCLS，脉冲每秒到达 120 次，很快将增加到每秒一百万次。

但是，由于 X 射线激光脉冲的产生方式，它们的强度各不相同，并且包含不可预测的波长组合。这就产生了科学家们所说的 "噪音"，使他们对探测样品的观察变得模糊不清。

为了克服这一问题，有人建议采用传统光学激光器的方法，引入一个腔体。腔体通过优先选择波峰和波谷相互一致的单一波长的光来提高激光的相干性。但是，在普通激光腔中反弹光线的反射镜对 X 射线激光脉冲不起作用--X 射线钻过的地方会在反射镜上留下一个冒烟的洞。

使用晶体--以及最近的合成金刚石晶体--作为镜子来平滑和帮助放大腔体内的 X 射线脉冲的想法由来已久，朱迪玲说，她与同为 SLAC 科学家的加布里埃尔-马库斯（Gabriel Marcus）共同领导着这个实验团队。

"问题是如何生产出质量足够高的金刚石镜面，以及如何将它们精确地排列起来，以引导空腔内的 X 射线，"Zhu 说。"朱说："在我们的理想情况下，这个空腔还能装入容纳 LCLS 起伏器的狭长隧道中。

其他的挑战和创新还包括找到将X射线从空腔中取出的最佳方法，以便将其用于实验，并在必要时对反射镜进行最佳冷却。

其中一面钻石水晶镜的特写。它的边长约为五分之一英寸。资料来源：Diling Zhu/SLAC 国家加速器实验室

类似倒钩的装置
Zhu 说，SLAC 腔体项目大约始于五年前的一次走廊谈话。这些谈话促成了 SLAC 主任提供的一笔实验室指导研发基金，用于在 LCLS 实验箱内建立本研究中使用的装置。

"这项实验的独特之处在于其规模之大。它比我见过的任何其他已发表的版本都要大近 50 倍，"斯坦福大学研究生、共同设计和实施实验并分析结果的研究人员之一雷切尔-马格拉夫（Rachel Margraf）说。

"她说："空腔越大，对准公差就越小，而科学界一直对能否实现这些公差持怀疑态度。

实验装置由两个装有空腔组件的箱形真空室组成。它们由两根同样保持在真空状态下的光束管道连接。从侧面看，整个装置就像一个 30 英尺长的杠铃。

每个腔室都装有两面钻石反射镜，每面反射镜都安装在一组四个电机上，这些电机可以精确地调整反射镜的位置和与光束的角度。这些镜子引导 X 射线脉冲通过光束管道，并从一个镜子传输到下一个镜子。

实验装置的形状大致像一个杠铃，两端有两个方形真空室，连接它们的是光束管道。X 射线脉冲通过一根管道从前面的腔室到达后面的腔室，然后通过另一根管道返回前面的腔室，完成一个 46 英尺的循环。空腔内的金刚石反射镜精确地引导脉冲沿正确的路径前进。资料来源：Diling Zhu/SLAC 国家加速器实验室

打造完美的钻石镜面
合成、选择和塑造钻石镜面本身就是一项艰巨的工作。

这些钻石是由日本理化学研究所 SPring-8 中心 XFEL 部门的组长、世界 X 射线研究钻石权威 Kenji Tamasaku 与一家行业合作伙伴合作制备的。

Tamasaku 说，为 X 射线研究培育足够纯净的金刚石晶体非常棘手，因为金刚石晶体必须在高温高压条件下生长，在这种条件下，最细微的变化都可能破坏晶体的生长。

研究小组首先使用 SPring-8 和位于 SLAC 的斯坦福同步辐射光源 (SSRL) 的 X 射线显微镜仔细检查每块晶体，挑选出晶体结构中缺陷最少的晶体。然后，他们确定了这些晶体中无缺陷的区域，以便加工成镜子。

"天然钻石的质量无法与本研究中使用的钻石相比，"Tamasaku 说。

近乎完美的钻石晶体用激光切割，先切割成板块，然后切割成约五分之一英寸长的 S 形，再抛光至高亮度，这是阿贡专家首次开发的工艺。镜子上的标签可以夹在实验设备上，而不会对镜子本身造成压力。

精密的钻石光栅（橙色和绿色方块）用于将 X 射线带入和带出 X 射线腔。室内光线从这些光栅复杂的蚀刻纳米结构上反射出来，就像大气中的水滴将光线折射成彩虹一样，产生了我们所看到的颜色。从不同角度观察，光栅的颜色会发生变化。资料来源：Diling Zhu/SLAC 国家加速器实验室

成功的结果
这项实验的目的是了解 X 射线激光脉冲在腔体内循环的时间和效率。LCLS 激光脉冲每秒 120 次通过斯坦福校园内制作的精密钻石光栅进入装置。它们依次撞击每个反射镜，完成多达 60 圈--每圈约 46 英尺长--然后消散。

研究人员表示，空腔装置内的往返传输效率超过 96%，接近理论上的反射镜性能极限，足以支持高质量的 X 射线激光束。

最终，我们的目标是在腔体内存储和循环 X 射线脉冲，然后将其送入减压器，伴随电子束在磁铁中摆动。朱说，重复这一循环 10 到 100 次，就能产生与当今光学激光束一样连贯和稳定的 X 射线激光束。随着LCLS升级改造的完成，X射线激光脉冲的能量和重复率都将大幅提高，这将成为可能。

参考资料

Rachel Margraf et al, Low-loss stable storage of 1.2 Å X-ray pulses in a 14 m Bragg cavity, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01267-0