激光，是我們生活中常見的科技工具。無論是在課堂上用於指示的激光筆，醫院手術中用於精準切除的激光刀，還是家庭網絡的光纖中傳輸數據的激光，激光的應用目前已無處不在。由於激光高度集中，方向性強，且能夠精確控制。所以它不僅在日常生活中有廣泛應用，也在科學實驗中扮演着重要角色。比如，在超分辨光學顯微鏡中，激光被用來實現高分辨率的成像，幫助科學家更清楚地觀察細胞和組織的結構。

然而，傳統激光在探索更深層次的微觀世界時依然存在侷限。電子顯微鏡雖然能夠藉助電子束觀察到分子乃至接近原子級別的細節，但它主要提供的是靜態圖像。對於科學家來說，真正令人感興趣的是原子和分子在化學反應、相變或生命活動中的動態過程——這些過程往往發生在千萬億分之一秒的時間尺度上。傳統的光源和技術無法提供足夠快，且波長足夠短的光脈衝來捕捉這些瞬間，就像相機的快門速度不夠快，無法定格高速運動的畫面。

之所以科學家要關注這些微觀變化，是因爲這些變化往往與物質的基本性質、化學反應、以及生命的微觀過程密切相關。例如，分子之間的相互作用、材料在外力下的微小變化，或者生命體內蛋白質的摺疊過程，這些瞬間的變化往往決定了物質的特性或生命活動的進程。因此，科學家迫切需要更先進的技術，能夠捕捉到這些微小、迅速的變化，才能更深入地理解微觀世界的奧祕。

爲了解決這一問題，科學家們開始研究自由電子激光器（FEL）。

自由電子激光是什麼？

要搞清楚自由電子激光是什麼，首先，我們需要回顧一下傳統激光的原理。傳統激光通過一種叫做受激輻射的過程產生光。在激光器內部，電子被激發到高能狀態，隨後通過躍遷釋放出光子。不同的激光器使用不同的材料，產生的光的波長和頻率也有所不同。但是傳統激光的波長和脈衝頻率是固定的，無法根據需要靈活調整。這就像是一個只能發出固定顏色光的手電筒，它在很多場合下非常有效，但一旦使用場景發生變化，就有可能力不從心。

傳統激光的原理：電子受激後從一個能級跳到另一個能級（E2—E1），從而釋放出能量

（圖片來源：Wikipedia）

自由電子激光與傳統激光的工作原理完全不同。傳統激光通過激發物質中的電子躍遷來產生光，而自由電子激光則是利用高能的自由電子與強磁場作用來產生光。在這個過程中，電子束在磁場的作用下發生彎曲，每次彎曲都會釋放出光子。由於電子束和磁場的參數可以人爲調節，因此自由電子激光能夠產生不同波長的、可精確調節的光。這種可以快速、靈活調節的特性，使得自由電子激光成爲研究微觀世界的理想光源，尤其在需要極短脈衝和高功率的實驗中展現出獨特優勢。

自由電子激光的產生原理

（圖片來源：Wikipedia）

意義重大，前景廣闊，且技術仍在發展

自由電子激光對於微觀世界的超快過程研究具有不可替代的重要作用，不僅可以對分子、原子世界進行高速攝影，甚至能連起來形成動態圖像，而且自由電子激光技術還在持續不斷地向前發展，能滿足越來越多前沿研究的需求，其中一個最重要的發展方向是重複頻率更高、且時空全相干的自由電子激光脈衝的產生。高重複頻率意味着光脈衝數量要足夠多、足夠密集，才能像高速攝影一樣捕捉到連續的瞬間變化；而所謂時空全相干，則是指光波的波形要整齊一致，在整個空間分佈和整個時間演化過程中，光場性質完全確定且可預測，這是實現許多前沿科學研究和應用技術研究的基礎。

目前的全相干自由電子激光重複頻率通常只有幾十赫茲到百赫茲量級，這意味着它每秒只能產生幾十到幾百個全相干光脈衝，且最高也沒法超過幾千個，而科學家門希望它能到一萬個甚至一百萬個以上。重複頻率受限制的主要原因是目前的全相干自由電子激光依賴功率很強的種子激光來啓動，所謂種子激光，就是把品質完美的常規激光作爲自由電子激光出光放大的種子，從而使自由電子激光繼承種子激光的完美特性，但問題在於，作爲起點的種子激光的峯值功率必須非常高，往往要達到百兆瓦級別，這樣才能使後續的放大過程成爲可能，然而現實的技術限制是，這樣高功率的種子激光重複頻率嚴重受限，從而導致全相干的自由電子激光每秒能產生的脈衝數量也有限。

自由電子激光放大器

（圖片來源：上海軟X射線自由電子激光裝置）

一種新的工作機制，帶來突破限制的可能！

爲了突破這一限制，中國科學院上海高等研究院與深圳先進光源研究院的科研團隊合作提出並驗證了一種新的工作機制，叫作“直接放大驅動型高次諧波產生”（Direct-Amplification Enabled Harmonic Generation，簡稱 DEHG）。顧名思義，這種機制的核心思路是：直接把一個極弱的種子激光信號，通過自由電子激光的高增益過程放大，最終獲得足夠強而穩定的輸出。

通過FEL高增益過程直接將種子激光放大至高功率，同時保持種子激光的相干性

（圖片來源：參考文獻[1]）

這種方法的優勢在於，它可以極大地降低對種子激光功率的要求。傳統方案需要百兆瓦量級的強種子激光，而在 DEHG 機制下，只需要兆瓦甚至幾十千瓦的種子光，也能在經過長調製段的放大後，發展成高功率的穩定光束，這就讓高重複頻率的運行變成可能。

在實驗中，研究團隊利用上海軟X射線自由電子激光裝置，成功演示了 DEHG 的可行性，通過功率約兆瓦量級的種子激光，他們不僅獲得了最高達到 12 次諧波的全相干輻射輸出，還將 7 次諧波放大至飽和狀態，光脈衝的能量穩定性達到了 5.5%。進一步的實驗還實現了 16 次諧波輸出，輸出光譜帶寬接近傅里葉極限，這表明激光脈衝的縱向相干性保持得非常好。換句話說，這種方法產生的光既穩定、單色性又好，完全可以滿足科學研究的嚴苛需求。

通過諧波轉換過程獲得穩定、全相干的短波長自由電子激光輸出

（圖片來源：參考文獻[1]）

更重要的是，DEHG 的裝置結構相對簡單，原理上能夠把種子激光功率的需求降低三個數量級，同時保持全相干的高次諧波輸出，這意味着它不僅能爲高重複頻率的 FEL 提供有效解決方案，還可能成爲更復雜方案（例如回聲驅動諧波產生 EEHG）的技術基礎。

這項成果的意義在於，它不僅解決了自由電子激光長期以來的核心難題，也爲裝置未來的升級發展和前沿研究打開了全新的可能性。首先，DEHG 機制讓高重複頻率運行成爲可能。過去，自由電子激光每秒只能產生幾千個光脈衝，而通過這種新方法，科學家們看到了實現每秒百萬次級別運行的希望，這意味着科學家有可能像連拍一樣，連續捕捉到原子和分子在極短時間內的運動過程，從而給原子、分子拍攝高速電影。

其次，這種機制在保持高相干性的同時，還能提供穩定的高次諧波輸出。高相干性保證了光的單色性，而高次諧波則意味着更短的波長，可以延伸到極紫外乃至X射線波段（波長短於10納米）。對於科學研究而言，這些特性正是揭示微觀世界動態變化的關鍵工具。

未來，這種光源將在多個前沿領域產生深遠影響。例如，在超快光譜學中，科學家可以用自由電子激光研究化學反應中分子的瞬間躍遷過程。很多化學反應只在飛秒（千萬億分之一秒）的時間裏發生關鍵變化，比如藥物分子與人體內受體結合的那一刻，或是光合作用中能量轉移的瞬間。理解這些過程，就能幫助我們設計更高效的藥物、更清潔的化學反應，甚至在未來開發人工光合作用來製造可再生能源。

在相干衍射成像中，自由電子激光能獲得納米結構和納米器件的清晰圖像。納米結構是許多先進電子產品和芯片的核心，比如智能手機、平板電腦中的集成電路。只有看清這些結構在工作時的細節，才能製造出更小、更快、更節能的芯片。未來的高性能計算機、5G 通信設備，乃至人工智能所依賴的硬件，都有可能從這種研究中受益。

在材料科學中，自由電子激光能夠揭示新型材料在應力或電場作用下的超快變化過程。這對新能源和新材料的研發尤其重要。比如，太陽能電池中的新型半導體材料，只有在極短時間尺度上掌握其電子運動規律，才能提升光電轉化效率；又如電動車電池的正負極材料，只有瞭解它們在充放電過程中的微觀變化，才能讓電池更安全、更耐用。這些研究的成果，最終會體現在人們日常使用的清潔能源、智能終端以及交通工具中。

由我國自由電子激光科研團隊提出並驗證的新機制，讓自由電子激光的光源更穩定、更高效，也讓我們距離看清分子和原子如何運動的目標更近了一步。雖然這些成果離日常生活還有一段距離，但正是這種基礎研究的突破，纔可能在未來催生出更安全的藥物、更高效的能源材料，以及更強大的信息技術。或許在不久的將來，當我們使用新一代電池、醫療方案或智能設備時，背後都閃爍着這束來自自由電子激光的光。

參考文獻：

[1] Zheng Qi, Junhao Liu, Lanpeng Ni, Tao Liu, Zhen Wang, Kaiqing Zhang, Hanxiang Yang, Zhangfeng Gao, Nanshun Huang, et al. (2025). First Lasting and Stable Operation of a Direct-Amplification Enabled Harmonic Generation Free-Electron Laser. Phys. Rev. Lett. 135, 035001.

出品：科普中國

作者：齊爭（中國科學院上海高等研究院）

監製：中國科普博覽