瑞士FEL实现超短X射线脉冲同步化，开辟阿秒科学新可能

    2026年1月16日，约翰内斯堡保罗·谢勒研究所（PSI）的研究团队成功实现了瑞士自由电子激光器（FEL）中超短X射线脉冲的同步化。这项成果为人类以阿秒精度观测超快原子与分子过程开辟了新路径。瑞士FEL这类自由电子激光器虽能产生亮度高、脉冲短的X射线，可用于观测快速原子分子过程，但脉冲内部光线存在无序性——其时间结构随机分布，且每次发射都会发生变化，这一问题限制了部分实验的精度。

    锁模技术：攻克脉冲固有随机性难题
    为攻克这种固有随机性，PSI团队成功应用“锁模技术”，生成了具有时间相干性的脉冲序列。“我们如今能以高度可控的方式，获得时间与频率完全有序的脉冲。”主导该研究的加速器物理学家爱德华·普拉特（EduardPrat）表示。这项研究由欧盟欧洲研究理事会（ERC）“HERO”项目资助，不仅是定制飞秒级X射线脉冲的重要突破，更为一系列需依托精确定时同步光脉冲开展的全新实验奠定了基础。
    研究团队在瑞士FEL上验证了锁模技术产生全相干超短X射线脉冲的可行性。配图中可见多个蓝色波荡器模块，每对模块之间设有用于延迟电子的磁扭摆器。图片由保罗·谢勒研究所/马克斯·菲舍尔提供。

    技术价值：拓展飞秒至阿秒科学边界
    飞秒级X射线脉冲为观测电子运动提供了窗口——电子运动是原子与分子中最快的过程，也是所有化学与物理变化的核心。2023年诺贝尔物理学奖表彰的光学技术，正是推动飞秒领域研究的关键，但未涉及X射线领域。用X射线探测飞秒时间尺度的过程，需达到与光学激光相当的控制精度，同时其光子能量更高，可用于探测内层电子及特定原子元素。
    全相干X射线脉冲具备可控、可重复的特性，行为模式类似光学激光，这项技术的突破意义重大。它不仅能助力阿秒X射线科学的发展，还可将此前仅能通过光学激光实现的技术拓展至X射线领域。
    “通过在X射线波段设计定制化脉冲，基于激光的量子光学新实验将成为可能。”保罗·谢勒研究所光子科学中心的加布里埃尔·艾普利（GabrielAeppli）指出，“此外，我们有望获得一款高精度时钟，用于校准X射线脉冲到达气体、液体、固体样品的时间，这意味着能以前所未有的精度测量X射线观测到的各类物质现象。”

    原理解析：SASE局限与锁模创新路径
    瑞士FEL的X射线脉冲基于自放大自发辐射（SASE）技术产生：加速后的电子束穿过一系列被称为“波荡器”的磁铁装置，磁铁使电子发生左右振荡并辐射X射线。辐射出的光子与电子相互作用，导致电子能量增减，快速电子会逐渐追上慢速电子并聚集成束。这种微束效应能增强X射线强度、提升空间相干性，但相干性仅局限于光束宽度的空间范围，脉冲纵向（即电子束持续时间维度）的相干性仅覆盖极小部分，时间与频谱分布仍由多个随机峰值构成。
    缩短电子束可直接提升时间相干性，但会导致频谱加宽、定义模糊。为此，PSI研究团队在瑞士FEL的软X射线ATHOS光束线上，采用了锁模技术这一替代方案：在波荡器之间设置一系列经过调试的磁扭摆器，通过延迟带电粒子运动来提升时间相干性；同时，用外部激光以与磁扭摆器延迟周期匹配的频率对电子束进行调制。

    实验成效：首次实现X射线激光锁模
    在磁扭摆器与匹配激光的共同作用下，辐射形成一系列等间隔、锁相的超短脉冲，对应的光子频谱呈现出均匀间隔的梳状谱线特征。生成的脉冲相干性更优，时间尺度可达阿秒级。
    普拉特介绍：“实验采用波长790纳米的激光调制电子束，产生了一系列间隔2.6飞秒的X射线脉冲，每个脉冲的持续时间远不足1飞秒。”这是首次在X射线自由电子激光器上实现锁模技术，通过精准整合磁铁、激光与磁扭摆器达成了这一突破。“这套方案设计精妙，所有组件配合默契且易于控制。”普拉特补充道。

    方案对比：锁模与模式耦合的核心差异
    此前，研究团队曾提出模式耦合方案，优化了频谱分布的相干性，使X射线频率分布更规则稳定。而锁模方案与模式耦合方案的核心差异在于，前者借助外部激光优化了时间域特性，进一步提升了整体相干性。
    关键挑战：脉冲时间相干性的精准表征
    锁模方案的成功验证，需证实脉冲的时间相干性，这依赖先进的诊断设备对脉冲进行表征：磁扭摆器下游的光子光谱仪用于测定X射线脉冲的能量分布，射频偏转装置则利用电子束中包含的信息反推X射线脉冲的时间结构。
    “测量脉冲的飞秒周期结构是核心挑战之一，需通过特殊设置让射频装置实现阿秒级分辨率。”普拉特表示，“这项研究体现了多环节协同运作的重要性——从磁扭摆器、外部激光到诊断设备的精度控制，缺一不可。”

    未来展望：从实验室到多领域应用
    研究团队下一步计划在真实实验样品中测试这种时间相干X射线的性能，而非局限于纯诊断环境。未来还将通过增加磁扭摆器数量、缩短电子脉冲持续时间等方式，进一步提升X射线脉冲的相干性。这项技术将惠及阿秒科学、量子光学等多个领域，为相关应用场景的用户提供全新能力支撑。