美國SLAC國家加速器實驗室的研究人員宣布在開發下一代X射線自由電子激光脈沖更明亮和更穩定的技術方面邁出了重要的一步，光束性能將實現巨大飛躍。

       研究人員呈現了一個在1.2 ?波長下運行的穩定、低損耗、大型X射線腔的實驗演示。該腔體由四個單獨的高反射率單晶金剛石布拉格鏡組成，排列成矩形結構，往返距離為14.2米。來自X射線自由電子激光器的飛秒X射線脈沖通過傳輸相位光柵耦合到腔體中。該實驗展示了通過引入腔體聚焦可以維持穩定模式，并且測得往返效率接近88%，在不考慮光柵和透鏡損耗時往返效率超過96%，接近布拉格鏡的理論性能極限。直接觀察到持續穩定的X射線循環提供了迄今為止最直接的證據，即基于腔體的X射線自由電子激光器和其他基于腔體的硬X射線系統的可行性。

       相關研究內容以“Low-loss stable storage of 1.2?? X-ray pulses in a 14 m Bragg cavity”為題發表在《Nature Photonics》上。

圖1. 腔體光學與診斷的實驗示意圖

       金剛石鏡為難點

       使用晶體（包括合成金剛石晶體）作為鏡子來平滑并幫助放大腔內 X 射線脈沖的想法已經存在了很長時間，但如何生產足夠高質量的金剛石鏡，以及如何將它們以足夠的精度排列以引導 X 射線繞過腔體是研究人員所面臨的問題。

       圖2. 實驗裝置的形狀大致像一個杠鈴，兩端有兩個方形的真空室，由束管連接。X 射線脈沖通過一根管道從前腔室傳播到后腔室，然后通過另一根管道回到前腔室，完成一個 46 英尺的循環。腔內的金剛石鏡將脈沖精確地引導到正確的路徑上。

       圖源：SLAC國家加速器實驗室

       圖3. 其中一個腔真空室的俯視圖。在左上角和左下角可以看到兩塊金剛石鏡，每塊都安裝在四個電機上，控制其角度和位置。右上角，將X 射線脈沖帶入腔室的精密金剛石光柵安裝在屏幕支架上。

       圖源：SLAC國家加速器實驗室

       制造完美的金剛石鏡

       合成、選擇和塑造金剛石鏡本身就是一項巨大的工作。

       這些金剛石由日本理化學研究所SPring-8中心的XFEL部門負責人、X射線研究中的金剛石界權威Kenji Tamasaku與行業合作伙伴合作制備。Tamasaku表示，生長足夠純凈以進行X射線研究的金剛石晶體非常棘手，因為它們必須在高溫高壓下生長，而條件的輕微變化都可能會干擾晶體的生長。

       該團隊首先使用 SPring-8 的 X 射線顯微鏡和SLAC的斯坦福同步輻射光源仔細檢查每個晶體，并挑選晶體結構中缺陷最少的晶體。然后他們確定了這些晶體中沒有缺陷的區域，以加工成鏡。

       天然金剛石質量無法媲美

       幾乎完美的金剛石晶體小塊通過激光切割，首先切成塊狀，然后切成大約五分之一英寸（約5 mm）長的S形狀，然后進行高光澤拋光。此外，這些鏡子具有可以夾緊到實驗裝置上而不會對鏡子本身造成應力的標簽。

       圖4. 其中一塊金剛石鏡，邊長約為五分之一英寸（約5 mm）。

       圖源：SLAC國家加速器實驗室

       圖5. 精密金剛石光柵（橙色和綠色方塊）用于將 X 射線帶入和帶出 X 射線腔。室內光線從其復雜蝕刻的納米結構上反射出來，產生了我們所看到的顏色，就像大氣中的水滴將光線折射成彩虹一樣。從不同角度觀察時，光柵的顏色會發生變化。

       圖源：SLAC國家加速器實驗室

       總結

       該實驗的目的是了解 X 射線激光脈沖在腔內循環的時間和效率。LCLS 激光脈沖通過斯坦福大學校園制作的精密金剛石光柵以每秒 120 次的速度進入裝置。它們依次撞擊每個金剛石鏡，最多可跑 60 圈，每圈約 46 英尺長，然后消散。研究人員表示，腔體設置內的往返效率超過96%，接近理論反射鏡性能極限，足以支持高質量的 X 射線激光束。

       該研究的最終目標是在空腔中存儲和循環 X 射線脈沖，然后將它們發送通過波蕩器，以伴隨電子束穿過磁鐵。據研究人員所說，重復這個循環10到100次應該會產生像如今的光學激光束一樣相干和穩定的X射線激光束。

       原文：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01267-0