X射线的发展历程

X射线激光

正因为X射线的应用越来越广泛，科学家着重研究增加X射线的强度。世界上第一个红宝石激光1960年问世以来，在X射线波段实现激光辐射就一直是激光研究的重要目标。Ｘ射线激光除了具有普通激光方向性强、发散度小的特点外，其单光子能量比传统的光学激光高上千倍，具有极强的穿透力。

1981年，美国在地下核试验中进行核泵浦X射线激光实验获得成功，极大地推动了开展实验室X射线激光的研究。水窗的饱和X射线激光是目前唯一能够对生物活体细胞进行无损伤三维全息成像和显微成像的光源，借助于它有可能解开生命之谜。美、英、日、法、德、俄罗斯和中国等国的许多著名实验室都相继作了部署。1994年，美国利弗莫尔实验室用世界上功率最大的激光器的3000焦激光能量泵浦钇靶，产生了波长15.5纳米的饱和X射线激光。1996年底，中国旅英青年学者张杰领导的联合研究组，在英国卢瑟福实验室利用多路激光器轰击钐靶，在泵浦能量仅为150焦的情况下，成功地获得了波长为7.3纳米的X射线激光饱和增益输出，为在“水窗”波段实现增益饱和输出的X射线激光带来了巨大的希望。

X射线自由电子激光

自由电子激光是一种以相对论优质电子束为工作媒介、在周期磁场中以受激辐射方式放大短波电磁辐射的强相干光源（其“周期磁场”由波荡器产生），具有波长范围大、波长易调节、亮度高、相干性好、脉冲可超短等突出优点，尤其是高增益短波长自由电子激光，普遍被看好是下一代光源的代表，具有巨大的发展潜力和重大的应用前景。（左图为德国DESY自由电子激光器的波荡器）

目前，全世界有20多个能产生从红外线到紫外线各种波长激光的自由电子激光器已经投入使用或正在研制中。现在科学家正试图让其波长范围延伸到Ｘ射线。X射线自由电子激光能产生波长可调的，极高强度的飞秒相干光，可为各种体系的高空间分辨和时间分辨的动力学研究提供强有力的手段，将给物理、化学、材料科学、地质、生命科学和医学等多个学科的前沿研究带来突破，为人类对自然的认识打开全新的视野。利用它可对活细胞进行无损伤立体成像，直接观察细胞中的生命过程，为揭开生命之谜提供重要的工具。利用它进行显微和光刻，可以大幅度地提高分辨率和精度。同时，也将对军事与工业的发展带来深远的影响。发展X射线自由电子激光具有前瞻性及战略意义。

世界各科技强国均将X射线自由电子激光的研究列入了未来科技发展计划的重要内容，正在加紧研制的Ｘ射线自由电子激光器的能量将是现有设备的100亿倍。美国斯坦福直线加速器中心将于2009年率先推出“直线加速器相干光源（LCLS）”（右图），这个项目预算为3.79亿美元。位于汉堡的德国电子同步回旋加速器研究中心已研制出先进的紫外线自由电子激光器，并计划到2012年时推出欧洲的X射线自由电子激光器，预计成本为9．08亿欧元。日本也在开展类似的项目。如何用尽可能小的输入能量在尽可能短的波长上产生高增益Ｘ射线激光是当今各科技大国在该领域竞争的主要焦点。

杨振宁先生从1997年5月开始先后8次给我国有关部门和有关领导写信，呼吁中国尽快开展X射线自由电子激光的预研究，我国政府和科学界对此给予了高度关注。

高能所曾在1994年研制成功中红外波段的北京自由电子激光装置，在亚洲第一个实现了饱和出光（左图为北京自由电子激光装置）。自2000年起，在中国科学院、科技部、国家自然科学基金委的先后支持下，上海应用物理所、高能所和中国科技大学以及北京大学已联合开展深紫外自由电子激光的前期和预制研究工作。这些部署对于发展X射线自由电子激光仍过于薄弱，我国要跨越发展到X射线自由电子激光，还存在很多技术空白和技术难点，为了能在2015年左右建成我国的X射线自由电子激光装置，各项关键技术的研究及装置建设的方案论证工作正在进行中，装置的建设即将正式启动。