X射线自由电子激光

X射线自由电子激光是一种基于电子直线加速器的大型科学研究装置,可以产生超高亮度、超短脉冲、波长可调的相干X射线辐射,在物理、化学、材料、生命科学等诸多领域都有非常广泛和极为重要的应用。文章介绍了X射线自由电子激光的基本原理、运行模式、发展历程、国内外X射线自由电子激光大科学装置的发展态势以及近年来我国X射线自由电子激光装置的现状。     

中国参加X射线自由电子激光项目

2005年11月24日，中国加入了位于汉堡的德国电子同步加速器（Deutsches E1ectron Synchrotron，DESY）中心的X射线自由电子激光（X-ray Free-electron Laser，XFEL）项目，成为该项目的第一位非欧洲成员国。     

超快X射线自由电子激光研究进展北大核心CSCD

现代光源的发展不断推动着人们从更深层次上理解物质的基本结构和动力学行为。X射线自由电子激光作为最先进的光源,其超高的峰值功率、超短的脉冲长度和优良的相干性,为人们以原子级时空分辨率探测和操控物质中的超快过程提供了可能。目前全世界已有多个X射线自由电子激光装置建成并投入使用,在原子分子物理、化学、生命科学、材料科学等各学科应用中都显示出了重要价值。同时大量的研究工作也集中于继续提高X射线自由电子激光的性能,包括把脉冲持续时间从fs量级进一步缩短至as量级,这将为超快科学的发展带来新突破。以超快脉冲产生为主线,综述了近年来超快X射线自由电子激光产生方案的研究进展,从产生原理、方案特性、最新成果等方面介绍了各类产生方案,总结对比了各方案的优缺点,最后对超快X射线自由电子激光的未来发展方向进行了展望。     

高重频硬X射线自由电子激光脉冲到达时间诊断方法研究

X射线自由电子激光(XFEL)脉冲时间诊断技术常用于实验站附近XFEL脉冲和配套激光的相对到达时间探测,是飞秒级XFEL泵浦探测实验的重要辅助技术,为XFEL和激光泵浦探测实验中两种脉冲对准提供参考信号.随着XFEL向高重频、短脉冲发展,对时间诊断中的诊断频率、泵浦样品和分辨率提出了更高的要求.该技术通过泵浦探测和光学互相关实现,当XFEL脉冲入射高带宽半导体样品瞬间,导致样品复折射率突变,使XFEL到达时间编码于突变空间.本文基于空间编码和光谱编码两种方法,研发设计了XFEL单脉冲到达时间诊断装置;并通过Beer’s吸收理论和原子散射理论对X射线与样品作用过程进行模拟,研究了该过程中X射线吸收与折射率突变的响应程度,完善了样品的分析选择模型;对光谱编码中的啁啾脉冲调制进行分析,得到色散介质和脉冲本征参数对诊断分辨率的影响.该研究对XFEL脉冲到达时间诊断装置的应用具有指导意义.     

用X射线自由电子激光拍摄分子电影

作为生命活动的基本单元,蛋白质等生物大分子的功能与分子结构和动力学密切相关。X射线衍射和电子显微技术能够确定原子分辨率的分子结构,但是分子在“工作”期间的结构演化还需要大量的方法研究。X射线自由电子激光(XFEL)因其特有的超高亮度飞秒脉冲,成为捕捉动力学过程中分子结构变化的利器。文章介绍了基于XFEL的“泵浦—探测”时间分辨实验方法,通过捕捉蛋白质分子被激发之后特定时刻的结构,拍摄高分辨的分子电影,展现分子在实现功能过程中的精细动力学,为准确理解分子机理奠定了基础。     

X射线自由电子激光单颗粒成像研究

具有超高亮度、超短脉冲、全相干特性的X射线自由电子激光(X-ray Free Electron Lasers,XFELs)的出现为超快时间研究与超微结构探索带来新的机遇,使得获取单分子、单颗粒原子分辨率图像及电影成为可能。随着德国FLASH、意大利FERMI、美国LCLS以及日本SACLA等装置的建成与投入使用,X射线自由电子激光已经进入了快速发展的阶段,一系列物理、化学、生物、材料科学领域的前沿研究成果不断涌现。为突破实验技术、工程设备及软件算法上的技术壁垒,相关科研机构通过国际合作,拟实现纳米颗粒、细菌、细胞、病毒、团簇及生物学大分子等单颗粒的原子分辨率成像。文章将聚焦单颗粒成像的发展历史、科学意义、研究背景、研究目标、研究规划、研究现状及世界各国的布局,并展望单颗粒成像未来的发展。     

X射线自由电子激光晶体学在结构生物学中的应用

X射线晶体学是获得生物大分子三维空间结构最主要的方法。基于X射线自由电子激光的晶体学——串行飞秒晶体学方法的出现,以其独特的优势为结构生物学研究提供了一种全新的研究手段。文章主要介绍了串行飞秒晶体学方法在结构生物学领域的应用及所取得的成果。这些成果表明该方法是在亚纳米空间尺度和飞秒时间尺度、在接近于自然状态下进行生物大分子静态和动态结构研究的强有力手段。     

X射线自由电子激光在化学与能源材料科学中的应用

在过去的十多年中,X射线自由电子激光器(X-ray Free Electron Laser,XFEL)的成功研制和快速发展,极大地推动了超快X射线光谱学实验技术的发展,并且在物理、化学和生物科学等不同研究领域获得了广泛的应用。通过飞秒激光脉冲对样品的激发,X射线可以在不同时间尺度下,跟踪固态、液态和气态等各种情况下样品的微观结构动力学过程。X射线吸收和发射光谱,衍射和散射是探测激光诱导结构变化的典型工具。文章将介绍近年来飞秒X射线技术的发展,及其在化学与能源材料领域的应用。相信随着上海X射线自由电子激光器的建成,将使得飞秒X射线技术在更多的科学领域发挥作用。     

用硬X射线自由电子激光解析复杂生物大分子的结构

2010年,美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的研究人员在Nature Photonics杂志上发文[1],宣布世界上第一个硬X射线波段的自由电子激光装置正式投入使用.X射线激光给整个"X光科技"带来的影响,将不亚于上世纪可见光激光给光学带来的影响.上世纪初诞生的X光科技使大量科学实验深入到原子层次,为物理、化学、材料科学以及生命科学等领域的许多重大突破提供了实验基础.以X射线激光为基础的21世纪的X光科技,将在更广的范围、更深的层次、以更高的效率对相关学科的发展起更大     

北京自由电子激光装置的红外激光振荡实验

本文阐述了北京自由电子激光装置所采取的优化电子束质量等措施以满足出光条件,和利用这台装置相继观察到了自发辐射、储存自发辐射和受激辐射的情况.测定的受激辐射讯号的强度、光谱、失谐曲线和波长移动均证明其为红外自由电子激光振荡讯号.     

上海深紫外自由电子激光装置中激光与束流的精确同步

介绍了一种基于相干辐射测量的激光-电子束同步方法,描述了实现空间及时间同步的基本原理、步骤和细节,并利用这种方法在上海深紫外自由电子激光装置（SDUV-FEL）上实现了电子束与激光之间亚ps量级的精确同步,为基于外种子激光的高增益高次谐波产生（HGHG）、回声型谐波产生（EEHG）和级联HGHG自由电子激光实验奠定了坚实的基础。还利用这种手段对不同条件下的电子束纵向特性进行了测量和分析。     

双波荡器自由电子激光理论

给出了双波荡器自由电子激光器的通用理论.在双波荡器自由电子激光器中,引入了一个周期长度非常接近主波荡器中电子束感应加速振荡周期的附加波荡器.推导出了一套自治方程组描述双波荡器中自由电子激光场演变过程,并分别给出了低增益、高增益和饱和三种情况下的解析解.研究表明,适当选择附加波荡器的参数,可以提高自由电子激光器的增益或转换效率     

一种新型无反转自由电子激光器的理论分析

从理论上分析了无反转自由电子激光器的原理，并提出了一个新的无反转自由电子激光器的实现方案。通过增加两块电子反射镜，使电子受激辐射的几率幅相干叠加，得到的增益两倍于原有的方案。     

远红外自由电子激光器的带宽扩展

本文研究了波导尺寸、电子束能量、摇摆器周期及磁场强度对波导型自由电子激光带宽的扩展作用，文中给了带宽约４００μｍ的远红外（工作波长６００－１０００μｍ）自由电子激光振荡器的设计参数，并对有关工程问题进行了讨论。     

改型摆动器光学速调管谐波自由电子激光器

提出了一种光学速调管自由电子激光器的新方案，并用Ｍａｄｅｙ定理这种新型的谐波自由电子激光器进行了分析和计算。结果表明，这种新型结构的自由电子激光器可以增大高次谐波的辐强度和增益，从而可望使自由电子激光工作在高次谐波上，提供短波长的光输出。     

Frequency Spectrum of Plasma-Filled Free-Electron Laser Pumped by Electromagnetic Wave

The frequency spectrum of free-electron laser pumped by electromagnetic wave with magnetized and unmagnetized background plasma is analyzed by the theory of three-wave interaction and PIC simulation, respectively. The frequencies of PIC simulation are in agreement with the results of the three-wave interaction theory. The results show that the frequency spectrum is very plentiful.     

矩形波导中超短脉冲电子束的相干同步辐射

考虑了当射频调制的超短脉冲电子束径向长度远小于辐射波长时，将其理想化为δ时间函数，提出了用波导本往模展开的方法来计算矩形波导中超短脉冲电子束的相干同步辐射及其频率特性。结果表明：（１）当谐振频率等于调制电子束微脉冲时间隔的射频的整数倍时，辐射模式表现为“纯”的波导本征模。（２）波导效应使得超短脉冲电子束在两个频率处发生相干同步辐射，而且低频支的辐射功率高于高频支的。最后指出波导自由电子激光器单横模     

阿尔法蒎烯臭氧分解反应的极紫外自由电子激光光电离质谱研究

阿尔法蒎烯是大气中含量最高的自然源萜类挥发性有机物,其臭氧化分解反应会产生大量的反应中间体和产物,精确表征这些物种被认为是大气化学最前沿、最具挑战性的课题之一. 本文利用极紫外自由电子激光光电离质谱方法,研究了阿尔法蒎烯的臭氧分解反应机理. 该反应是在2立方米的烟雾箱中进行,利用气动透镜把产生的气溶胶传输到质谱探测腔室,利用极紫外自由电子激光对气溶胶进行单光子软电离,测得了常规实验方法难以得到的飞行时间质谱,发现了一系列新物种. 与量子化学理论计算相结合,揭示了这些新物种的反应机理. 这些研究结果从分子水平上揭示了蒎烯的臭氧分解反应机制,有助于理解大气雾霾微观机理.     

Nonlinear Analysis of Relativistic Motion of Electrons in Self-Amplified Spontaneous Emission Free-Electron Laser in Ultraviolet and X-Ray Spectral Regions

The free-electron laser (FEL) based on the self-amplified spontaneous emission (SASE) is an effective candidate of the coherent optical sources at wavelengths in ultraviolet and x-rays. It requires a relativistic electron beam with extremely high quality and extremely stable transmission. In this paper we analyze the dynamic behavior of the relativistic electron in that device by calculating the entropy-like quantity. Results show that if there is no adiabatic field of the wiggler, the electron beam may have great fluctuation in velocity space and diverge in configuration space.     

Effect of Initial Pitch-Angle of Electrons on Output Power of Free-Electron Laser with a Reversed Guide Magnetic Field

A nonlinear simulation is presented to the output power of the MIT free-electron laser experiment, which is in agreement with the measured data. It is found that the initial pitch-angle of the electrons substantially influences the output power and should be optimized carefully.