“光剑”出鞘，“水窗”波段全覆盖

上海软X射线自由电子激光用户装置出光 本报记者 孙中钦 摄

本报讯（记者 郜阳）昨天凌晨，张江，上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）里灯火通明。这把“光剑”最近连连出鞘，先后在5.6纳米、3.5纳米、2.4纳米波长实现自由电子激光放大出光。科研人员屏息凝神，期待着它能否带来新的惊喜。“成功了！”随着在2.0纳米波长同样取得突破，上海软X射线自由电子激光装置达到了装置设计的目标波长，并实现了“水窗”波段全覆盖。这一进展表明我国在软X射线自由电子激光研制方面已步入国际先进行列。

自由电子激光，这种科学家口中的“第四代光源”，能大大提升科学家们的研究手段和能力——在纳米级微观世界里，不仅可以“拍照片”更可以“拍电影”。

和同步辐射光源相比，X射线自由电子激光在波段上相差无几，可在峰值亮度和相干性上优势明显。“相同波段情况下，亮度可比上海光源强9个量级。”软X射线自由电子激光用户装置项目常务副总经理刘波说，“它具有超快时间分辨、超高空间分辨、超强峰值亮度等特征，在探测超小结构、捕获超快过程、理解复杂体系等方面优势明显。”

连续取得突破性进展后，上海软X射线自由电子激光装置实现了“水窗”波段全覆盖，并在3.5纳米实现饱和，输出峰值功率超过500兆瓦。“‘水窗’是指波长在2.3纳米到4.4纳米范围的软X射线波段。在此波段内，水对X射线是透明的，但其他构成生命的重要元素，例如碳和氧等仍会与X射线相互作用。”面对疑惑，软X射线自由电子激光用户装置首席科学家、中国工程院院士赵振堂这样解释，“因而水窗波段的X射线可用于活体生物细胞显微成像等，具有极其重要的科学应用价值。在水窗波段，自由电子激光的峰值亮度比同步辐射高十亿倍以上，且同时具备横向和纵向相干性，能够为物理、生物、化学等学科提供革命性的研究工具。”

目前，全球已有的软X射线自由电子激光装置一共有3台，分别位于中国上海、德国汉堡和意大利里雅斯特，上海软X射线自由电子激光装置是最早实现“水窗”波段全覆盖的。

上海软X射线自由电子激光装置总长532米，位于上海光源的北侧，包括1台光阴极注入器驱动的高性能C波段电子直线加速器、2台束团压缩器、2条50米长的波荡器线、两条光束线以及5个实验站。记者获悉，上海软X射线自由电子激光装置的研制分为试验装置和用户装置两个阶段，其最终目标是建成波长覆盖水窗波段的高亮度软X射线自由电子激光光源，并为首批5个实验站供光。试验装置已于去年11月通过国家验收，而用户装置在今年1月完成了基于试验装置的升级改造和总体集成。“经过我们SXFEL团队昼夜不停的紧张调试，水窗波段的自由电子激光已出光放大并贯通整个光束线并到达实验站。在目前调试工作的基础上，团队正进一步优化装置参数和性能，预计今年年底就可以提供给用户开展实验研究。”赵振堂透露。

在赵振堂看来，在2.0纳米波长实现自由电子激光放大出光，是一个重要里程碑，标志着张江光子大科学装置迈向了新阶段。“软X射线自由电子激光装置在整个集群中，是一名重要成员。它的发光标志着已可以作为‘活跃成员’开始工作。”未来，“鹦鹉螺+光剑”强强联手发出的光将照亮微观世界，也照亮人类探索物质奥秘的科学之路。