2023年初，在加利福尼亚地下隧道中以接近光速飞行的电子将产生地球上有史以来最亮的X射线，使科学家们能够以前所未有的细节来研究原子和分子。

这些创纪录的X射线将在SLAC国家加速器实验室产生，该实验室近期已经升级了其直线加速器相干光源（LCLS） X射线激光器，使其成为世界上最快和最亮的X射线激光器。

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美国能源部SLAC国家加速器实验室正努力增强旗下直线加速器相干光源（LCLS） X射线自由电子激光器（XFEL）的能力，这是一种被设计用于以高分辨率和超快时间尺度捕捉微观物体图像的仪器。通过采用一种被称为啁啾脉冲放大（CPA）的现代超强光学激光脉冲技术，SLAC团队设计了一个能够产生比以前强十倍的X射线脉冲的系统，而这一切都在LCLS现有的自由电子激光基础设施内。

该团队近期在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了他们的研究结果。

（图片来源：SLAC National Accelerator Laboratory）

通过对X射线的啁啾脉冲放大，研究人员们能够实现峰值功率大于1太瓦（terawatt）的非常有影响力的光束参数，同时脉冲持续时间约为1飞秒。

LCLS的工作原理就像一个原子分辨率的相机，在极短的N分之一秒内拍下分子和材料最微小变化的快照。它产生的超亮、超快的X射线脉冲对许多应用和科学研究领域都具有很大吸引力，如生物分子动力学、实验室天体物理学研究以及观察光子如何与物质相互作用。

然而，增加激光的功率会使激光脉冲的时间不一致。这种不一致反过来又造成了对系统正在发生的事情的扭曲或不准确的印象——这是科学家们拼命想要避免的。现有的解决方案大大降低了激光功率，限制了研究人员的研究。

由于这些限制，“在过去十年的XFEL激光实验中，超过90％的实验使用了像超快手电筒一样的X射线源，”SLAC的高级科学家、该研究的高级合著者Diling Zhu说。“很少有人真正像我们使用光学激光器那样使用它。我们才刚刚开始学习如何操纵X射线束，就像我们几十年来用光学激光器做的那样。”

啁啾脉冲放大（CPA）技术最初是为了增加光学激光的功率而设计的，它的工作原理是在能量脉冲通过放大器和压缩机之前延长其持续时间，最终形成一个超级强烈、清晰的超短脉冲。

来自罗切斯特大学的物理学家Donna Strickland和Gérard Mourou在20世纪80年代发明了啁啾脉冲放大（CPA）技术，并因此获得了2018年诺贝尔物理学奖。虽然CPA已经彻底改变了光学激光器的高能脉冲产生，但该技术已被证明难以适应X射线波长。

而在上述研究中，研究人员通过详细的数值模拟设计出了一种CPA方法，用于在现有自由电子激光器的光束参数内产生高强度的硬X射线脉冲。基于他们打造的新系统，科学家们可以用现有的自由电子激光设备产生太瓦飞秒硬X射线脉冲。