原子分子世界的高速摄影机：从每秒拍一千张到每秒拍一千万张！

激光，是我们生活中常见的科技工具。无论是在课堂上用于指示的激光笔，医院手术中用于精准切除的激光刀，还是家庭网络的光纤中传输数据的激光，激光的应用目前已无处不在。由于激光高度集中，方向性强，且能够精确控制。所以它不仅在日常生活中有广泛应用，也在科学实验中扮演着重要角色。比如，在超分辨光学显微镜中，激光被用来实现高分辨率的成像，帮助科学家更清楚地观察细胞和组织的结构。

然而，传统激光在探索更深层次的微观世界时依然存在局限。电子显微镜虽然能够借助电子束观察到分子乃至接近原子级别的细节，但它主要提供的是静态图像。对于科学家来说，真正令人感兴趣的是原子和分子在化学反应、相变或生命活动中的动态过程——这些过程往往发生在千万亿分之一秒的时间尺度上。传统的光源和技术无法提供足够快，且波长足够短的光脉冲来捕捉这些瞬间，就像相机的快门速度不够快，无法定格高速运动的画面。

之所以科学家要关注这些微观变化，是因为这些变化往往与物质的基本性质、化学反应、以及生命的微观过程密切相关。例如，分子之间的相互作用、材料在外力下的微小变化，或者生命体内蛋白质的折叠过程，这些瞬间的变化往往决定了物质的特性或生命活动的进程。因此，科学家迫切需要更先进的技术，能够捕捉到这些微小、迅速的变化，才能更深入地理解微观世界的奥秘。

为了解决这一问题，科学家们开始研究自由电子激光器（FEL）。

自由电子激光是什么？

要搞清楚自由电子激光是什么，首先，我们需要回顾一下传统激光的原理。传统激光通过一种叫做受激辐射的过程产生光。在激光器内部，电子被激发到高能状态，随后通过跃迁释放出光子。不同的激光器使用不同的材料，产生的光的波长和频率也有所不同。但是传统激光的波长和脉冲频率是固定的，无法根据需要灵活调整。这就像是一个只能发出固定颜色光的手电筒，它在很多场合下非常有效，但一旦使用场景发生变化，就有可能力不从心。

传统激光的原理：电子受激后从一个能级跳到另一个能级（E2—E1），从而释放出能量

（图片来源：Wikipedia）

自由电子激光与传统激光的工作原理完全不同。传统激光通过激发物质中的电子跃迁来产生光，而自由电子激光则是利用高能的自由电子与强磁场作用来产生光。在这个过程中，电子束在磁场的作用下发生弯曲，每次弯曲都会释放出光子。由于电子束和磁场的参数可以人为调节，因此自由电子激光能够产生不同波长的、可精确调节的光。这种可以快速、灵活调节的特性，使得自由电子激光成为研究微观世界的理想光源，尤其在需要极短脉冲和高功率的实验中展现出独特优势。

自由电子激光的产生原理

（图片来源：Wikipedia）

意义重大，前景广阔，且技术仍在发展

自由电子激光对于微观世界的超快过程研究具有不可替代的重要作用，不仅可以对分子、原子世界进行高速摄影，甚至能连起来形成动态图像，而且自由电子激光技术还在持续不断地向前发展，能满足越来越多前沿研究的需求，其中一个最重要的发展方向是重复频率更高、且时空全相干的自由电子激光脉冲的产生。高重复频率意味着光脉冲数量要足够多、足够密集，才能像高速摄影一样捕捉到连续的瞬间变化；而所谓时空全相干，则是指光波的波形要整齐一致，在整个空间分布和整个时间演化过程中，光场性质完全确定且可预测，这是实现许多前沿科学研究和应用技术研究的基础。

目前的全相干自由电子激光重复频率通常只有几十赫兹到百赫兹量级，这意味着它每秒只能产生几十到几百个全相干光脉冲，且最高也没法超过几千个，而科学家门希望它能到一万个甚至一百万个以上。重复频率受限制的主要原因是目前的全相干自由电子激光依赖功率很强的种子激光来启动，所谓种子激光，就是把品质完美的常规激光作为自由电子激光出光放大的种子，从而使自由电子激光继承种子激光的完美特性，但问题在于，作为起点的种子激光的峰值功率必须非常高，往往要达到百兆瓦级别，这样才能使后续的放大过程成为可能，然而现实的技术限制是，这样高功率的种子激光重复频率严重受限，从而导致全相干的自由电子激光每秒能产生的脉冲数量也有限。

自由电子激光放大器

（图片来源：上海软X射线自由电子激光装置）

一种新的工作机制，带来突破限制的可能！

为了突破这一限制，中国科学院上海高等研究院与深圳先进光源研究院的科研团队合作提出并验证了一种新的工作机制，叫作“直接放大驱动型高次谐波产生”（Direct-Amplification Enabled Harmonic Generation，简称 DEHG）。顾名思义，这种机制的核心思路是：直接把一个极弱的种子激光信号，通过自由电子激光的高增益过程放大，最终获得足够强而稳定的输出。

通过FEL高增益过程直接将种子激光放大至高功率，同时保持种子激光的相干性

（图片来源：参考文献[1]）

这种方法的优势在于，它可以极大地降低对种子激光功率的要求。传统方案需要百兆瓦量级的强种子激光，而在 DEHG 机制下，只需要兆瓦甚至几十千瓦的种子光，也能在经过长调制段的放大后，发展成高功率的稳定光束，这就让高重复频率的运行变成可能。

在实验中，研究团队利用上海软X射线自由电子激光装置，成功演示了 DEHG 的可行性，通过功率约兆瓦量级的种子激光，他们不仅获得了最高达到 12 次谐波的全相干辐射输出，还将 7 次谐波放大至饱和状态，光脉冲的能量稳定性达到了 5.5%。进一步的实验还实现了 16 次谐波输出，输出光谱带宽接近傅里叶极限，这表明激光脉冲的纵向相干性保持得非常好。换句话说，这种方法产生的光既稳定、单色性又好，完全可以满足科学研究的严苛需求。

通过谐波转换过程获得稳定、全相干的短波长自由电子激光输出

（图片来源：参考文献[1]）

更重要的是，DEHG 的装置结构相对简单，原理上能够把种子激光功率的需求降低三个数量级，同时保持全相干的高次谐波输出，这意味着它不仅能为高重复频率的 FEL 提供有效解决方案，还可能成为更复杂方案（例如回声驱动谐波产生 EEHG）的技术基础。

这项成果的意义在于，它不仅解决了自由电子激光长期以来的核心难题，也为装置未来的升级发展和前沿研究打开了全新的可能性。首先，DEHG 机制让高重复频率运行成为可能。过去，自由电子激光每秒只能产生几千个光脉冲，而通过这种新方法，科学家们看到了实现每秒百万次级别运行的希望，这意味着科学家有可能像连拍一样，连续捕捉到原子和分子在极短时间内的运动过程，从而给原子、分子拍摄高速电影。

其次，这种机制在保持高相干性的同时，还能提供稳定的高次谐波输出。高相干性保证了光的单色性，而高次谐波则意味着更短的波长，可以延伸到极紫外乃至X射线波段（波长短于10纳米）。对于科学研究而言，这些特性正是揭示微观世界动态变化的关键工具。

未来，这种光源将在多个前沿领域产生深远影响。例如，在超快光谱学中，科学家可以用自由电子激光研究化学反应中分子的瞬间跃迁过程。很多化学反应只在飞秒（千万亿分之一秒）的时间里发生关键变化，比如药物分子与人体内受体结合的那一刻，或是光合作用中能量转移的瞬间。理解这些过程，就能帮助我们设计更高效的药物、更清洁的化学反应，甚至在未来开发人工光合作用来制造可再生能源。

在相干衍射成像中，自由电子激光能获得纳米结构和纳米器件的清晰图像。纳米结构是许多先进电子产品和芯片的核心，比如智能手机、平板电脑中的集成电路。只有看清这些结构在工作时的细节，才能制造出更小、更快、更节能的芯片。未来的高性能计算机、5G 通信设备，乃至人工智能所依赖的硬件，都有可能从这种研究中受益。

在材料科学中，自由电子激光能够揭示新型材料在应力或电场作用下的超快变化过程。这对新能源和新材料的研发尤其重要。比如，太阳能电池中的新型半导体材料，只有在极短时间尺度上掌握其电子运动规律，才能提升光电转化效率；又如电动车电池的正负极材料，只有了解它们在充放电过程中的微观变化，才能让电池更安全、更耐用。这些研究的成果，最终会体现在人们日常使用的清洁能源、智能终端以及交通工具中。

由我国自由电子激光科研团队提出并验证的新机制，让自由电子激光的光源更稳定、更高效，也让我们距离看清分子和原子如何运动的目标更近了一步。虽然这些成果离日常生活还有一段距离，但正是这种基础研究的突破，才可能在未来催生出更安全的药物、更高效的能源材料，以及更强大的信息技术。或许在不久的将来，当我们使用新一代电池、医疗方案或智能设备时，背后都闪烁着这束来自自由电子激光的光。

参考文献：

[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：科普中国

作者：齐争（中国科学院上海高等研究院）

监制：中国科普博览