近日，美国国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）的研究人员宣布，他们成功在开发下一代X射线自由电子激光脉冲更明亮、更稳定的技术方面迈出了重要一步：使用由高质量合成金刚石制成的精确对准的镜子，引导X射线激光脉冲在真空室内的矩形跑道上运动。

像这样的装置是基于腔的X射线自由电子激光器（CBXFELs）的核心，科学家们正在设计使X射线激光脉冲更明亮、更清洁——更像今天的常规激光束。

“基于腔的X射线自由电子激光器的成功交付，将标志着新一代X射线科学的开始，它提供了光束性能的巨大飞跃，”美国能源部SLAC国家加速器实验室直线加速器相干光源（LCLS） X射线激光器主任Mike Dunne称，这项工作是在那里进行的。

他称：“在我们实现目标之前，还有许多挑战需要克服。但这第一个集成步骤的演示非常令人鼓舞，表明我们拥有维持高腔性能所需的方法和工具。”

SLAC研究小组在《自然光子学》杂志上发表的一篇论文中描述了他们的工作。他们表示，早期的结果是如此令人鼓舞，以至于实验室已经与美国能源部的阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）合作，在LCLS波动隧道中设计和安装下一个更大版本的实验腔系统。

使X射线激光脉冲更像激光

尽管它的名字叫X射线激光脉冲，但它还不完全像激光。它们是通过使加速电子在一组被称为“波动器”的磁铁中摆动而产生的。这迫使它们发出X射线，这些X射线被塑造成强大的脉冲，用于在原子尺度上探测物质。在LCLS上，脉冲每秒到达120次，很快就会增加到每秒100万次。

但是由于X射线激光脉冲产生的方式不同，它们的强度不同，并且包含不可预测的波长混合。这就产生了科学家所谓的“噪音”，干扰了他们对正在探测的样本的观察。

为了克服这个问题，已经提出了采用传统光学激光器的方法来引入腔体。空腔通过优先选择波峰和波谷相互排列的单一波长的光来增加激光的相干性。但是，在常规激光腔中反射光线的镜子对X射线激光脉冲不起作用——你所得到的只是镜子上一个冒烟的洞，X射线穿过了这个洞。

与SLAC科学家Gabriel Marcus一起领导实验小组的Diling Zhu表示，使用晶体或者人造钻石晶体作为镜子来平滑和帮助放大腔内的X射线脉冲的想法，其实已经存在很长时间了。问题是如何生产出足够高质量的钻石镜，以及如何以足够的精度将它们排列起来，以引导X射线围绕腔体。

“理想情况下，在我们的案例中，空腔也将适合容纳LCLS波动的狭长隧道。”其他的挑战和创新包括找到将X射线从腔中取出的最佳方法，以便将其用于实验，并在需要时对镜子进行最佳冷却。

杠铃状的装置

SLAC的空腔项目始于大约五年前的几次谈话，随后SLAC主任的实验室指导研究和开发拨款，用于在LCLS实验箱中建立本研究中使用的装置。

实验装置由两个装有空腔元件的方形真空室组成。它们由两根束流管连接，这两根束流管也处于真空状态。从侧面看，整个东西就像一个30英尺长的杠铃。

每个腔室都有两个钻石镜，每个镜子都安装在一组四个马达上，可以精确地调整其位置和角度。镜子引导X射线脉冲穿过光束管，从一个镜子到另一个镜子。

这些钻石是由日本理化学研究所SPring－8中心XFEL部门的团队负责人、世界X射线钻石研究权威Kenji Tamasaku与一个行业合作伙伴合作制备的。

Tamasaku表示，要想培养出纯度足以用于X射线研究的钻石晶体是很棘手的，因为它们必须在高温高压下生长，而在这种条件下，最轻微的变化都会破坏晶体的生长。

该团队首先使用来自SPring－8和斯坦福大学SLAC同步辐射光源（SSRL）的X射线显微镜仔细检查每个晶体，并挑选晶体结构中缺陷最少的晶体。然后，他们确定了这些晶体中没有缺陷的区域，以便加工成镜子。Tamasaku称：“天然钻石的质量无法与目前研究中使用的钻石相比。”

近乎完美的金刚石晶体用激光切割，首先切割成石板，然后切割成大约五分之一英寸长的S形，然后抛光到很高的亮度，这是阿贡国家实验室的专家首先开发的一种工艺。镜子上有标签，可以夹在实验设备上，而不会对镜子本身造成压力。

成功的结果

这个实验的目的是观察X射线激光脉冲在腔内循环的时间和效率。LCLS激光脉冲每秒通过斯坦福大学园区制作的精密金刚石光栅进入装置120次。它们依次撞击每一面镜子，在消散之前完成了60圈——每圈大约46英尺长。

研究人员表示，在腔内设置的往返旅程效率超过96％，接近理论反射镜性能极限，足以支持高质量的X射线激光束。

最终的目标是在腔中存储和循环X射线脉冲，然后将它们通过波动器发送，当电子束在磁铁中摆动时伴随着电子束。重复这个循环10－100次，应该会产生像今天的光学激光束一样相干和稳定的X射线激光束。

随着LCLS升级的完成，这将成为可能，这将大大增加其X射线激光脉冲的能量和重复率。

LCLS和SSRL是美国能源部科学办公室的用户设施，LCLS的空腔系统原型的建造和安装资金来自科学办公室。让X射线脉冲进入腔体的金刚石光栅，是在斯坦福大学校园里由SLAC纳米X团队制作的。