由于XFEL卓越的性能及其在基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展領(lǐng)域和科技創(chuàng)新方面的廣泛應(yīng)用，多個(gè)國(guó)家和機(jī)構(gòu)大力投入積極開(kāi)展XFEL裝置的建設(shè)。目前，建成并投入使用的XFEL裝置包括德國(guó)電子同步加速器實(shí)驗(yàn)室的FLASH 軟X 射線自由電子激光裝置(FLASH)、美國(guó)SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的直線加速器相干光源(LCLS)、日本理化學(xué)研究所的SACLA 裝置(SACLA)、意大利FERMI 軟X 射線自由電子激光裝置(FERMI)、歐洲X射線自由電子激光裝置(European-XFEL)、韓國(guó)浦項(xiàng)自由電子激光裝置(PAL-XFEL)、以及瑞士自由電子激光裝置(SwissFEL)。除此之外，許多國(guó)家正在建設(shè)或計(jì)劃在不久的將來(lái)建設(shè)X射線自由電子激光器，例如正在建設(shè)中的美國(guó)直線加速器相干光源二期(LCLSII)。我國(guó)也在早年就提出了建設(shè)FEL 的逐步實(shí)施規(guī)劃，早在1994 年就建成了中紅外波段的北京自由電子激光裝置(BFEL)，率先在亞洲實(shí)現(xiàn)了飽和出光。鑒于國(guó)外FEL裝置的快速發(fā)展，以及國(guó)內(nèi)科學(xué)界的迫切需求，最近國(guó)家大力支持FEL裝置的建設(shè),并取得了豐碩的成果。極紫外波段的大連相干光源(DCLS)和位于成都的高平均功率太赫茲自由電子激光裝置(CTFEL)于2017 年相繼建成；上海軟X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置(SH-XFEL Test Facility)也于2017 年出光，目前正在進(jìn)行升級(jí)改造成為用戶裝置——上海軟X 射線自由電子激光裝置(SXFEL)；基于可調(diào)諧紅外激光的能源化學(xué)研究大型實(shí)驗(yàn)裝置(FELiChEM)也將于2019 年完成驗(yàn)收并對(duì)用戶開(kāi)放。上海高重復(fù)頻率硬X射線自由電子激光裝置(SHINE)也于2018年4月破土動(dòng)工。目前國(guó)際上XFEL裝置的光子能量范圍見(jiàn)圖2。

　　

圖2.國(guó)際上各XFEL裝置的光子能量范圍

特別值得指出的是，超短超強(qiáng)XFEL 脈沖的出現(xiàn)使得人們能夠研究原子尺度的飛秒超快過(guò)程�；�于泵浦——探測(cè)方法的飛秒X射線技術(shù)是以納米空間分辨率和飛秒時(shí)間分辨率直接研究超快動(dòng)力學(xué)的最有力工具之一。其過(guò)程為：先利用飛秒激光脈沖泵浦樣品使其處于激發(fā)態(tài)，而后利用延遲的飛秒X射線脈沖進(jìn)行探測(cè)。在過(guò)去的幾年中，人們發(fā)展了飛秒X 射線吸收光譜、飛秒X 射線發(fā)射光譜、飛秒共振非彈性X射線散射、飛秒X射線衍射、飛秒X射線漫散射、飛秒X射線磁圓二色性、飛秒角分辨光電子能譜等一系列新技術(shù)。其中，X射線吸收光譜(XAS)探測(cè)的是芯能級(jí)電子與未占據(jù)軌道的信息，而X射線發(fā)射光譜(XES)則反映了芯能級(jí)電子空穴與占據(jù)軌道的信息。當(dāng)入射光子能量的一部分被轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中，使得入射和出射光子的能量彼此不同時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振非彈性X 射線散射(RIXS)過(guò)程。RIXS 可以用來(lái)探測(cè)樣品的原子軌道、電荷、電子自旋與軌道耦合和磁自由度等信息。X射線漫散射則是研究非晶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)有效的方法。這些實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)在各學(xué)科領(lǐng)域產(chǎn)生了大量有影響力的成果，并催生了一系列新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。本文下面幾節(jié)將簡(jiǎn)要介紹XFEL 在物理、化學(xué)、生命科學(xué)和材料科學(xué)中的應(yīng)用。如果讀者想要深入了解相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展，可以參閱《物理》雜志2018 年第七期和第八期的X射線自由電子激光專題。

三、X 射線自由電子激光在物理學(xué)中的應(yīng)用

超短超強(qiáng)的XFEL脈沖能夠產(chǎn)生一些極端條件下的奇異物態(tài)。比如，在LCLS開(kāi)展的首批實(shí)驗(yàn)中，Young 等人觀測(cè)了氖原子在強(qiáng)場(chǎng)中的電離過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明，聚焦的超強(qiáng)飛秒X射線脈沖能在100 飛秒內(nèi)將氖原子的所有10 個(gè)電子依次剝離：內(nèi)層的1s電子首先吸收一個(gè)光子而被電離，緊接著外層電子通過(guò)俄歇過(guò)程填補(bǔ)1s 軌道；接下來(lái)光電離和俄歇過(guò)程依次重復(fù)直到只剩兩個(gè)1s 電子因而無(wú)法再發(fā)生俄歇過(guò)程；如果光子能量大于Ne9+離子的電離能，那么氖原子的所有十個(gè)電子都會(huì)被X 射線電離。而如果光子能量小于某個(gè)中間離子態(tài)Nen+的電離能，那么Nen+就不會(huì)被繼續(xù)電離(如圖3 所示)。