名为自由电子激光的光源能产生高强度的 X 射线辐射，这种 X 射线辐射的应用非常广泛。这个过程通常需要依赖硕大的粒子加速器，而一项最新实验克服了这一限制。

一旦探索世界的新工具出现，新发现也将应运而生——被称为自由电子激光（free-electron laser，FEL）的光源便是这样的工具。自由电子激光产生的辐射覆盖很宽的波长范围，包含极紫外波段 [ 1 ] 和 X 射线波段 [ 2 ] ，还能生成超短脉冲，时间尺度可达飞秒（10-15 秒） [ 3 ] 乃至阿秒（10-18 秒） [ 4 ] 量级。在这样的空间和时间尺度下，生物、化学和物理之间的区别微乎其微，而自由电子激光给这三个学科带来了革命性的变化。自由电子激光能使物质在原位冻结并在微观尺度上观察，这让科学家得以分辨原子或电子的运动，控制化学反应，揭示化学键动力学或者能量转移过程。王文涛等人 [ 5 ] 在《自然》发文报道了小型化 X 射线自由电子激光器的一个里程碑成果。

自由电子激光产生的辐射来自于穿过波荡器（undulator）的高能电子束，波荡器是由一长串极性交替变化的磁铁构成的（图 1）。波荡器使电子做横向振荡运动，振荡的电子束辐射出光，光的波长与振荡空间周期和电子束能量平方之商成正比。因此，电子束能量是调节自由电子激光输出波长的主要参数之一。

图 1 | 在激光激发的等离子体波中加速的电子驱动的一个自由电子激光源。王文涛等人 [ 5 ] 向气体喷流发射激光脉冲，产生被称为等离子体的电离化气体。等离子体中的电子在被称为等离子体波的电磁波里 " 冲浪 " 时被加速。作者们将由此产生的高能电子束导入一个被称为自由电子激光的光源中，该光源由一串极性交替变化的磁铁组成（用两种灰色阴影表示）。这些磁铁使电子束横向振荡并发出辐射。最初，这些电子是随机分布的，只能产生低振幅的光。然而，当离开磁铁时，这些电子被聚束在很小的区域内，该区域尺寸和辐射光波长相近，从而发射出高振幅的光。这个实验表明，小型化装置也能产生用于自由电子激光的高能电子束（王文涛等人的装置约 12 米长），并不需要几百米到几千米长的粒子加速器。

如果电子束具有足够高的电流和足够好的单色性，即各电子具有相似的能量，沿着相似的轨迹运动并发射具有相似特性的光，那么电子束的能量就能有效地传递给激光。当这种高亮度电子束与波荡器内产生的光的电磁场发生相互作用时，电子束就将其一部分动能传递给了激光。结果就是，光在波荡器中传播时会被放大好几个数量级。因此，自由电子激光需要高能量和高亮度的电子束来产生短波长的强激光，如极紫外或 X 射线波段的激光。

通常，电子束的加速方法是将电子注入一长串名为谐振腔（resonant cavity）的空心金属结构，在谐振腔中，这些粒子通过在电磁波里 " 冲浪 " 来一步步地获得能量。电子束的最终能量取决于电磁波的振幅（即加速场的场强）以及加速器的长度。就目前的技术水平而言，加速腔的场强最多也就能达到几十兆伏每米（MV/m）。为了获得 X 射线自由电子激光所需的几千兆电子伏（千兆亦称为吉，GeV）的电子束能量，必须得有一个长达几百米到几千米的加速器。因此，高能电子束的获取往往只能求诸大型加速器设施，这意味着只有少数科学家才能获得自由电子激光或是其他需要高能电子的先进研究工具。

正因为有这样的限制，人们便开始寻找粒子加速器以外的方法来获得强大的加速场，从而减少设施的碳足迹和建造成本。一个很有前景的想法是，利用光学激光器的高功率密度在等离子体（一种电离化的气体）中激发电磁波 [ 6 ] 。在等离子体中可以产生比传统加速腔强数千倍的加速场。有了这样的加速场，X 射线自由电子激光所需的电子束能量就不再需要几千米的加速距离了，可能只需几十厘米就足够了。

等离子体波可以由激光脉冲或是电子束本身来激发。事实上，还可以通过这样的方式来塑造电子束流，即电子束的一部分去激发等离子体波，然后这个等离子体波去给相同电子束的另一部分加速。这两种方式都已经有人做过了探索尝试，结果显示确实可以获得极高的场强 [ 7,8 ] ，与理论预言的场强相近 [ 6 ] 。然而，要成功地用这些电子束来驱动自由电子激光，还有一个要素不得不考虑，那就是电子束品质（beam quality）。具体来说，如果电子束品质不够好，那么各个电子之间的能量就相差很大，发出的辐射就像是由随机分布的电子产生的，而品质好的电子束，电子可以聚束在很小的区域内，该区域尺寸和辐射光波长相近，这种情况下光（振幅）的放大倍数要（比随机分布电子的情形）高出好几个数量级。 ( 译者注：此处能量指电子的动能。质量越好的电子束，各个电子的动能越接近，在空间上就聚集得越紧密。 )

多个研究团队都在致力于寻找稳定可靠的加速条件，使得被加速的电子束能保持足够好的单色性，从而可以用于自由电子激光放大 [ 9 ] 。王文涛等人首次证明，利用激光激发的等离子体波来加速电子，可以实现这种放大（图 1）。作者们通过向直径仅 6 毫米的气体喷流发射激光脉冲来产生等离子体波。通过改变气体的密度，他们得以调控沿着加速方向的等离子体密度，并将等离子体中的电子纳入等离子体波的加速阶段。这项技术确保能够产生能量约为 0.5GeV 的电子束，并且束流品质足够好，可以对输出波长为 27nm 的极紫外自由电子激光辐射进行放大。

单就性能而言，王文涛等人的自由电子激光尚不足以与现有的可产生相似波长的自由电子激光装置相媲美 [ 1,10 ] 。然而，他们的激光象征着一种技术突破，而且它的稳定性、可重复性，以及电子束向光辐射传输能量的效率都有望在未来进一步提高。作者们的实验为极小型加速器驱动的自由电子激光开拓了道路，这种小型化加速器或许可以安置在校级规模的设施中。一种新工具若要推动新发现，就需要具备可获用性，这项工作有望让世界上更多的人用上自由电子激光。