意大利的自由电子激光器——FERMI，采用了“新聚束”技术产生极紫外种子光，并通过双级级联频率上转换，最终在水窗口波段(2.3~4.4nm)中形成了相干的软X射线。

　　位于意大利迪里亚斯特的自由电子激光器(FERMI)是为交叉学科研究而建造的，近日FERMI的科学家们报导了全相干软X射线脉冲的产生，他们采用了一种双级级联高增益谐波(HGHG)的结构。FERMI科学家们的研究成果十分先进，不仅在迄今为止已报导的HGHG自由电子激光器中输出波长最短，而且可作为一种稳定、高强度的光源，对研究噪声自放大自发辐射(SASE)光谱的科学家们十分有吸引力。

　　由于FEL激光器中的自由电子并未没有被限制在固定的能级上，因此在其输出波长方面也就没有了固定的限制。研究人员在二十世纪八十年代提出了基于SASE的设计结构，并从二十世纪九十年代开始着手研究如何获得更短的输出波长。SASE中的光辐射是单程饱和放大的，因此SASE并不需要光学谐振腔——这在实际应用中有着重要的优点，因为事实上很难寻找到合适的短波长反射元件。在2000年，德国电子同步加速器实验室(DESY)的研究人员首次在实验上证明了SASE的正确性，其输出波长为109nm。随后，SASE的输出波长扩展至X射线范围内，如美国SLAC国家加速器实验室的线性相干光源(LCLS)和日本春天-8纳米紧凑自由电子激光器(SACLA)。SASE被集中应用于各个科研领域，包括原子和分子物理、化学、生物以及材料科学。SASE的输出光为横向相干光，其峰值亮度比之同步辐射高十个数量级。然而，类似传统型激光器中的受激辐射光放大，SASE最初是从随机噪声中产生的，并且没有光谱滤波器，因此其内在的时间相干性是很差的。SASE的宽噪声谱有时候对研究人员来说是个麻烦。

　　有如下一些方法来克服SASE的这个缺陷。第一种方法是加入一个光学谐振腔，尽管这样需要制造一长串稳定的电子束来保证光束往返多次传输——有时在目前的线性FEL装置中难以实现。另一种方法是加入一个外相干的种子源，来提高输出光束的时间相干性。在真空环境下，利用高次谐波做种子源的自由电子激光器已经研制成功，并可以输出极紫外光波。然而，当波长变短时，种子光强度变低，这也成为这种设计方案目前最大的局限性。作为改进方案，研究人员提出了“自种子源”结构，选用单色SASE 做相干种子源，输出波长极大的变短，使得LCLS 装置能够输出硬X 射线。在自种子源结构中，晶体被安装在波荡器的中央，使得SASE 从波荡器上半部分输出的光变为单色光，接着这束单色光用做波荡器下半部分光放大过程的种子源。这样能够获得近傅里叶变换极限的光脉冲，但是由于未达到饱和以及光束能量抖动，两个脉冲间强度的波动依然较大。

　　还有一种提高光束的时间相干性的方法是利用频率上转换来补偿短波长相干光源的缺失。无论是高增益次谐波(HGHG)还是回波谐波(echo-enabled harmonic generation， EEHG)，都采取了这种设计方案。选用一个输出长波长的外部相干光，典型范围是可见光波或者极紫外光波。EEHG 通过纵向过度压缩的电子束来调制电子的密度，用以实现频率上转换。在SLAC和中国上海的深度极紫外自由电子激光器(SDUV-FEL)中，EEHG 的这种设计方案从原理上得到了验证。HGHG 包括了通过FEL 非线性聚束过程的高次谐波(图1)。这些结构在整个辐射脉冲长度上都保持了外部激光器的时间相干性。

　　FERMI 是基于HGHG 的一个特殊的客户端。它毗邻第三代同步辐射装置Elettra(图2)。在2012 年，FERMI 的科学家们获得了输出波长范围为20~65nm 的激光，而在今年，他们将输出波长压至4.3nm。为实现此输出，研究人员采用了双级级联的HGHG方案。在此方案中，防止第一级电子束质量的退化是很重要的，否则的话，第二级中就不能发生放大过程，因此，“新聚束”技术应运而生。这种技术是指，电子束被分做两部分——第一部分用于第一级，第二部分用于第二级。种子光脉冲与第一部分电子束在第一级中交叠。延时线使电子束发生延时，从而第一级中产生的高次谐波能够与第二部分电子束在第二级中同步到达。可以想象得到，这种设计方案需要能够达到几十个飞秒量级的高精度时间同步装置。FERMI研究小组研制出一种全光学时间同步装置，能够满足这个精度。此外，波长为260nm的外种子源由一个高稳定性固体激光器运行产生。

　　FERMI的另一个独特之处是该装置采用了螺旋型波荡器，因此能够产生可变偏振态的输出光。因为装置中没有实际的相位延迟器，对软X射线偏振态的控制是十分重要的。

　　自由电子激光器在光源领域已经强有力的奠定了其地位，它已经并不仅仅只是研究者的玩具了。FERMI研究小组研制的全相干光源已经具备了足够高的强度和稳定性，并能够用于其他用户的科学实验。这种面向用户的研发将会加速软X射线应用的发展。

　　改善SASE时间相干性的最好的方案是什么?FERMI的成功无疑建立了一个基准，但是答案仍不明晰。将HGHG扩展至更短的波长是一个越来越大的挑战，因为增加一级额外的HGHG需要整个加速器和外部激光器系统具备超高的稳定性。在目前正在运行或建造的全X射线自由电子激光器设备中，科学家们正在寻找问题的答案：SACLA将在不久以后开始“自种子源”的运行;LCLS计划将其“自种子源”设计扩展至软X射线波长范围;在旧金山湾的LCLS对面，在下一代光源(NGLS)——劳伦斯伯克利国家实验室设计建造的软X射线连续运转自由电子激光器中，科学家们试着将目前的解决方案融合在一起。当然，或许会有人提出新的思路和方法。最好的方法可能是根据波长范围而变化的。最终，我们的实验结果将告诉我们问题的答案。