2月25日，清華大學(xué)工程物理系唐傳祥研究組與合作團(tuán)隊(duì)在《自然》上發(fā)表研究論文《穩(wěn)態(tài)微聚束原理的實(shí)驗(yàn)演示》，報(bào)告了一種新型粒子加速器光源“穩(wěn)態(tài)微聚束”的首個(gè)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。基于該原理，能獲得高功率、高重頻、窄帶寬的相干輻射，波長(zhǎng)可覆蓋從太赫茲到極紫外波段，有望為光子科學(xué)研究提供廣闊的新機(jī)遇。與之相關(guān)的極紫外光源有望解決自主研發(fā)光刻機(jī)中最核心的“卡脖子”難題。
SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖（圖片來(lái)源：《自然》）
穩(wěn)態(tài)微聚束，英文為Steady-state microbunching，可縮寫(xiě)為SSMB。實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)利用波長(zhǎng)1064納米的激光操控位于柏林的儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)的電子束，使電子束繞環(huán)一整圈后形成精細(xì)的微結(jié)構(gòu)，也即微聚束。微聚束會(huì)在激光波長(zhǎng)及其高次諧波上輻射出高強(qiáng)度的窄帶寬相干光，實(shí)驗(yàn)通過(guò)探測(cè)該輻射驗(yàn)證微聚束的形成。微聚束的形成，證明了電子的光學(xué)相位能以短于激光波長(zhǎng)的精度逐圈關(guān)聯(lián)起來(lái)，使得電子可被穩(wěn)態(tài)地束縛在激光形成的光學(xué)勢(shì)井中，驗(yàn)證了SSMB的工作機(jī)理。
SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖（圖片來(lái)源：《自然》）
SSMB概念由斯坦福大學(xué)教授、清華大學(xué)杰出訪問(wèn)教授趙午與其博士生于2010年提出。2017年，唐傳祥與趙午發(fā)起該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，唐傳祥研究組主導(dǎo)完成了實(shí)驗(yàn)的理論分析和物理設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的激光系統(tǒng)，與合作單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并完成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與文章撰寫(xiě)。
在芯片制造的產(chǎn)業(yè)鏈中，光刻機(jī)是必不可少的精密設(shè)備，是集成電路芯片制造中最復(fù)雜和關(guān)鍵的工藝步驟。光刻機(jī)的曝光分辨率與波長(zhǎng)直接相關(guān)，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，光刻機(jī)光源的波長(zhǎng)不斷縮小，芯片工業(yè)界公認(rèn)的新一代主流光刻技術(shù)是采用波長(zhǎng)為13.5納米光源的EUV（極紫外光源）光刻。EUV光刻機(jī)工作相當(dāng)于用波長(zhǎng)只有頭發(fā)直徑一萬(wàn)分之一的極紫外光，在晶圓上“雕刻”電路，最后將讓指甲蓋大小的芯片包含上百億個(gè)晶體管，這種設(shè)備工藝展現(xiàn)了人類科技發(fā)展的頂級(jí)水平。
大功率的EUV光源是EUV光刻機(jī)的核心基礎(chǔ)。而隨著芯片工藝節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，預(yù)計(jì)對(duì)EUV光源功率的要求將不斷提升，達(dá)到千瓦量級(jí)。
“簡(jiǎn)而言之，光刻機(jī)需要的EUV光，要求是波長(zhǎng)短，功率大。”唐傳祥說(shuō)。大功率EUV光源的突破對(duì)于EUV光刻進(jìn)一步的應(yīng)用和發(fā)展至關(guān)重要。唐傳祥說(shuō)：“基于SSMB的EUV光源有望實(shí)現(xiàn)大的平均功率，并具備向更短波長(zhǎng)擴(kuò)展的潛力，為大功率EUV光源的突破提供全新的解決思路。”
SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖片來(lái)源：清華大學(xué)SSMB團(tuán)隊(duì)）
EUV光刻機(jī)的自主研發(fā)還有很長(zhǎng)的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解決自主研發(fā)光刻機(jī)中最核心的“卡脖子”難題。這需要SSMB EUV光源的持續(xù)科技攻關(guān)，也需要上下游產(chǎn)業(yè)鏈的配合，才能獲得真正成功。
清華SSMB團(tuán)隊(duì)從2017年4月開(kāi)始SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的理論分析和數(shù)值模擬。
“SSMB采用激光來(lái)對(duì)電子進(jìn)行聚束，相比同步輻射光源常用的微波，聚束系統(tǒng)的波長(zhǎng)縮短了5到6個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，要驗(yàn)證SSMB的原理，需要加速器對(duì)電子縱向位置逐圈變化有非常高的控制精度，而德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的儲(chǔ)存環(huán)在這一方面最接近SSMB的實(shí)驗(yàn)需求。經(jīng)過(guò)老師們的前期聯(lián)系與溝通，德國(guó)兩家機(jī)構(gòu)積極加入研究團(tuán)隊(duì)，與我們開(kāi)展合作研究。”全程參與赴德實(shí)驗(yàn)的清華大學(xué)工物系2015級(jí)博士生鄧秀杰介紹。
從2017年始，清華團(tuán)隊(duì)成員先后8次前往柏林，參與從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備到操作的各個(gè)環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的努力，實(shí)驗(yàn)于2019年8月31日取得成功。鄧秀杰說(shuō),SSMB涉及的物理效應(yīng)多，實(shí)驗(yàn)難度大，團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了多次失敗的嘗試，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷加深對(duì)物理問(wèn)題和實(shí)際加速器運(yùn)行的認(rèn)識(shí)，直到最后將問(wèn)題一一解決,“無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我們也沒(méi)有停止工作，會(huì)就之前采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，定期召開(kāi)工作會(huì)議，以及進(jìn)行郵件或在線討論等。”
《自然》評(píng)閱人對(duì)該研究高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“展示了一種新的方法論”，“必將引起粒子加速器和同步輻射領(lǐng)域的興趣”。
目前，清華大學(xué)正積極支持和推動(dòng)SSMB EUV光源在國(guó)家層面的立項(xiàng)工作。清華SSMB研究組已向國(guó)家發(fā)改委提交“穩(wěn)態(tài)微聚束極紫外光源研究裝置”的項(xiàng)目建議書(shū)，申報(bào)“十四五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。
以下文章來(lái)源于世界科學(xué) ，作者林梅。
導(dǎo)讀
“上帝說(shuō)，要有光，于是便有了光”，這是圣經(jīng)《創(chuàng)世記》中對(duì)于光的一個(gè)記載。
有了光，人類才有了絢麗多彩的世界，有了對(duì)抗黑暗的勇氣。
光對(duì)人類的重要性，怎么描述都不為過(guò)。人類進(jìn)步的歷史，也就是一部理解和利用光的歷史。
那么光到底是什么？光具有波粒二象性，既是粒子也是電磁波，對(duì)它的探索幾乎貫穿了整個(gè)物理學(xué)發(fā)展史。
我們都知道，人類能看到的光在光譜上只是很窄的一段，在可見(jiàn)光之外，存在著各種波長(zhǎng)的電磁波。它們雖然不能直接幫我們用肉眼觀察多彩的世界，但是它們各自都有著不可替代的用武之處，X射線就是其中代表性的一員。
本篇報(bào)道圍繞2018年上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)項(xiàng)目“全相干自由電子激光的前沿實(shí)驗(yàn)研究與新原理探索”展開(kāi)，該獎(jiǎng)項(xiàng)由中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所趙振堂院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)獲得。
光譜圖（圖片來(lái)自維基百科）
X射線最早由德國(guó)科學(xué)家倫琴在研究陰極射線的時(shí)候偶然發(fā)現(xiàn)。他揭示了X射線的穿透特性，利用這種特性，他拍下了一位女士手部骨骼的照片。這張帶著戒指的照片，成為人類利用X射線的開(kāi)端。我們今天也常常利用X射線穿透肌肉的能力，進(jìn)行各種醫(yī)學(xué)檢測(cè)。
X射線能檢測(cè)的不僅有我們的身體，還有物質(zhì)各種尺度的內(nèi)部構(gòu)成直至微觀結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)變化。因?yàn)閄射線的波長(zhǎng)范圍為0.001～10納米（即0.01～100埃），與原子的直徑大小（~1埃）正好相符，可以將X射線作為探針，用來(lái)探測(cè)物質(zhì)的微觀世界，看看內(nèi)部的原子是怎么排列的以及是如何運(yùn)動(dòng)的。
在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)，人們通過(guò)相對(duì)論電子的同步輻射來(lái)產(chǎn)生高亮度X射線。所謂同步輻射，其實(shí)就是一個(gè)超級(jí)大的“電磁爐”：利用接近光速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)釋放電磁波的性質(zhì)，讓帶電粒子（一般是電子）沿弧形軌道運(yùn)動(dòng)，然后在運(yùn)動(dòng)的切線方向輻射電磁波，電磁波的波段可覆蓋從太赫茲到X射線的區(qū)域。上海張江的“上海光源”，就是第三代同步輻射光源，它可為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等眾多領(lǐng)域的科學(xué)家提供不可或缺的研究利器。
但是，與傳統(tǒng)激光相比，同步輻射X光源沒(méi)有強(qiáng)相干性。這一點(diǎn)大大限制了它的應(yīng)用。
所謂相干性，我們可以類比兩列機(jī)械波發(fā)生顯著干涉現(xiàn)象的條件：頻率相同，相位差恒定，振動(dòng)方向一致。其實(shí)，光波的相干性也是類似的。通常，兩個(gè)獨(dú)立光源發(fā)出的光，不具備這樣的條件，不會(huì)產(chǎn)生明顯的干涉條紋。
而激光為什么可以具有相干性呢？因?yàn)楸举|(zhì)上，激光的產(chǎn)生是一個(gè)受激輻射的過(guò)程，當(dāng)電子被激勵(lì)到一個(gè)高能級(jí)的時(shí)候，會(huì)在某個(gè)特定光子的激發(fā)下，躍遷到低能級(jí)，并且釋放出一個(gè)和入射光子完全一致的光子，兩個(gè)光子各方面步調(diào)完全一致，也就是具有相干性。（激光的相干性包括空間相干性和時(shí)間相干性兩方面。空間相干性與發(fā)散角和光場(chǎng)模式有關(guān)，時(shí)間相干性與單色性有關(guān)）。可以說(shuō)，激光器就是一個(gè)光子的克隆機(jī)，不停地克隆出大量特定能量的光子。
如果能造出X射線波段的激光，具備高亮度、高相干性、超短脈沖等特點(diǎn)，那將會(huì)大大拓展X射線的應(yīng)用場(chǎng)景。
1971年，一位叫作約翰·梅迪（John M. J. Madey）的年輕人，提出了不同于傳統(tǒng)激光的光放大機(jī)制。
他發(fā)現(xiàn)，在周期性磁場(chǎng)中搖擺運(yùn)動(dòng)的高能電子束與光之間也可以發(fā)生相互作用，進(jìn)而輻射和放大出相干光。因?yàn)檫@種機(jī)制中的電子是不被束縛在原子核周圍的自由電子，所以人們正式將其命名為自由電子激光。
只是，由于在短波長(zhǎng)沒(méi)有合適的反射介質(zhì)，在長(zhǎng)達(dá)二三十年的時(shí)間里，自由電子激光一直停留在紅外和可見(jiàn)光波段，沒(méi)有在短波長(zhǎng)方向取得突破性進(jìn)展。為了將自由電子激光推向短波，人們拓展了思路。
人們發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生自由電子激光的新機(jī)制，在一個(gè)足夠長(zhǎng)的波蕩器里面，電子束和自發(fā)輻射同時(shí)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以和自發(fā)輻射產(chǎn)生一種神奇的相互作用，它們彼此相互激發(fā)，然后將輻射放大直至飽和，不需要反射介質(zhì)。脫離了反射介質(zhì)這個(gè)束縛，自由電子激光的波長(zhǎng)便沒(méi)有了限制，這種自我激發(fā)的方式，人們稱之為自放大自發(fā)輻射。
但是，自放大自發(fā)輻射由于是靠初始噪聲起振的，經(jīng)過(guò)一個(gè)持續(xù)的放大過(guò)程之后，相干性總不是那么理想，尤其是時(shí)間相干性。
所以，人們又引入了傳統(tǒng)激光來(lái)幫助解決問(wèn)題。人們將傳統(tǒng)激光當(dāng)作外來(lái)的“種子”，讓它與電子束同時(shí)進(jìn)入波蕩器產(chǎn)生共振，由于“種子”的存在，可以抑制電子束初始噪聲的影響，這樣的方式被叫作外種子型自由電子激光。只不過(guò)，這時(shí)，輸出波長(zhǎng)與“種子”的波長(zhǎng)息息相關(guān)。想要產(chǎn)生短波長(zhǎng)的輸出光，就要求有短波長(zhǎng)的“種子”激光。那么，短波長(zhǎng)的“種子”如何得到，就成了關(guān)鍵。
好在，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)天然就存在的好“種子”。那就是電子束中的微聚束。
電子束中的微聚束天然地含有高次諧波分量，我們只需要想辦法產(chǎn)生這個(gè)微聚束，然后把特定的高次諧波成分挑選出來(lái)進(jìn)行放大，就可以來(lái)產(chǎn)生短波的種子型自由電子激光啦。
當(dāng)然，這還不能讓科學(xué)家滿足，不斷追求突破的科學(xué)家希望得到更短的波長(zhǎng)，于是，又對(duì)上面這種自由電子激光進(jìn)行了改造，發(fā)明了級(jí)聯(lián)型高次諧波放大機(jī)制和回聲諧波放大機(jī)制。
所謂級(jí)聯(lián)型高次諧波放大機(jī)制，其實(shí)理論上很簡(jiǎn)單，就是把上面說(shuō)的高次諧波放大方法做成多級(jí)串聯(lián)，首尾相連，前面一級(jí)的輸出光作為下一級(jí)的“種子”，這樣，每經(jīng)過(guò)一級(jí)，輸出波長(zhǎng)縮短一點(diǎn)，最終得到我們要的X光波。
原理上簡(jiǎn)單，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻難度不小。比如，電子束在與激光相互作用的時(shí)候，難以避免會(huì)品質(zhì)變差，為了每一級(jí)都保持電子束和激光配合完好，對(duì)電子束和激光的同步技術(shù)、品質(zhì)掌握都提出了很高的要求。
上海的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在這方面取得了突破：上海應(yīng)用物理研究所于2009年建成的我國(guó)首個(gè)高增益自由電子激光綜合研究平臺(tái)——上海深紫外自由電子激光裝置SDUV-FEL，成功進(jìn)行了兩級(jí)級(jí)聯(lián)的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，成功利用1200納米的種子光，輸出了第一級(jí)600納米、第二級(jí)300納米的全相干輻射。
而另一方面，回聲諧波放大機(jī)制的路徑也得到了科學(xué)家的關(guān)注。這個(gè)模式是2009年美國(guó)斯坦福直線加速器中心（SLAC）實(shí)驗(yàn)室的根納季?斯圖帕科夫（Gennady Stupakov）博士提出的，一經(jīng)提出，就吸引了全世界所有自由電子激光領(lǐng)域科學(xué)家的目光。很快，一些原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)展開(kāi)。
回聲型諧波放大機(jī)制，主要是為了得到超高次的諧波輻射，電子束相空間被拉成一條條“能帶”，這種特殊結(jié)構(gòu)的電子束和激光相互作用后，類似回聲效應(yīng)，有可能產(chǎn)生幾十次甚至上百次的高次諧波。
最早驗(yàn)證回聲諧波機(jī)制的實(shí)驗(yàn)室有美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的NLCTA裝置，還有中國(guó)上海的SDUV-FEL。
中國(guó)的SDUV-FEL，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了3次諧波的回聲型諧波放大。實(shí)驗(yàn)表明，在適當(dāng)?shù)臈l件下，相對(duì)于傳統(tǒng)種子型機(jī)制，回聲型諧波放大機(jī)制的輸出光相干性、帶寬、波長(zhǎng)穩(wěn)定性上都有更好的表現(xiàn)。
這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成果發(fā)表在2012年的《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）上，并被選為封面文章，同期刊登了對(duì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人趙振堂的專訪，體現(xiàn)了回聲諧波放大機(jī)制在原理驗(yàn)證方面的重要成果對(duì)當(dāng)前及未來(lái)自由電子激光的發(fā)展具有的重要意義和深遠(yuǎn)的影響。
趙振堂院士和項(xiàng)目骨干在工作現(xiàn)場(chǎng)
此后，該團(tuán)隊(duì)在新原理探索方面，還提出了級(jí)聯(lián)型回聲諧波放大、相位匯聚型諧波放大機(jī)制等新型自由電子激光工作模式。
高增益自由電子激光原理的成功驗(yàn)證直接催生了21世紀(jì)新一代大型自由電子激光科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)和快速發(fā)展，2006年世界首臺(tái)軟X射線自由電子激光FLASH在德國(guó)建成，2009年硬X射線自由電子激光裝置LCLS在美國(guó)建成，人類進(jìn)入了X射線自由電子激光時(shí)代。
隨后意大利的種子型軟X射線自由電子激光FERMI，日本、韓國(guó)、瑞士和歐盟的硬X射線自由電子激光裝置SACLA、PAL-XFEL、SwissFEL和European XFEL相繼建成，如火如荼。
我國(guó)的高增益自由電子激光發(fā)展也進(jìn)入了快車道，上海軟X射線FEL裝置SXFEL和大連極紫外相干光源DCLS等相繼建設(shè)和調(diào)試及應(yīng)用。
前者位于上海張江科學(xué)城的上海光源園區(qū)，集中于外種子型Ｘ射線自由電子激光的研究，將最先進(jìn)的加速器技術(shù)、激光技術(shù)和自由電子激光新原理、新技術(shù)相結(jié)合，并為各個(gè)科研領(lǐng)域的研究人員提供服務(wù)。
SXFEL裝置的研制分為試驗(yàn)裝置（SXFEL-TF）和用戶裝置（SXFEL-UF）兩個(gè)階段，2020年11月，SXFEL試驗(yàn)裝置通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。國(guó)家驗(yàn)收委員會(huì)專家認(rèn)為，“SXFEL試驗(yàn)裝置各項(xiàng)性能指標(biāo)全部達(dá)到或優(yōu)于驗(yàn)收指標(biāo)。項(xiàng)目首創(chuàng)的EEHG-HGHG混合級(jí)聯(lián)模式，輻射帶寬和中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性顯著優(yōu)于HGHG-HGHG級(jí)聯(lián)”。
2021年5月，上海軟X射線自由電子激光裝置建設(shè)取得又一突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了2.0納米波長(zhǎng)自由電子激光放大出光，這意味著該團(tuán)隊(duì)繼5.6納米、3.5納米、2.4納米自由電子激光放大出光之后，實(shí)現(xiàn)了“水窗”波段全覆蓋。
所謂“水窗”，是指波長(zhǎng)在2.3納米到4.4納米范圍的軟X射線波段，在此波段內(nèi)，盡管水對(duì)X射線是透明的，但其他構(gòu)成生命的重要元素，例如碳和氧等仍會(huì)與X射線相互作用，因而“水窗”波段的X射線可用于活體生物細(xì)胞顯微成像等，具有極其重要的科學(xué)應(yīng)用價(jià)值。
目前，上海軟X射線自由電子激光裝置的X射線已貫通光束線并到達(dá)實(shí)驗(yàn)站，獲得了首批相干衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)今年年底將建成活細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能成像線站等5個(gè)實(shí)驗(yàn)站，開(kāi)始用戶實(shí)驗(yàn)研究。
后者位于中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所長(zhǎng)興島園區(qū)，于2017年投入運(yùn)行，是目前世界上最亮的極紫外光源，已經(jīng)在揭示星際介質(zhì)中硫氫自由基的消耗、發(fā)展中性團(tuán)簇光譜實(shí)驗(yàn)方法來(lái)探測(cè)霧霾生長(zhǎng)機(jī)理、尋找最小水滴等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。
今年，來(lái)自上海光源中心的自由電子激光團(tuán)隊(duì)再傳捷報(bào)，理論上提出一種相干能量調(diào)制的自放大機(jī)制，并且在上海軟X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置上完成了驗(yàn)證，這種方法可以大幅度降低對(duì)外種子激光的功率需求，為兆赫茲級(jí)高重復(fù)頻率運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)探索了有效路徑，也驗(yàn)證了自放大機(jī)制可以作為下一代外種子型光源的標(biāo)準(zhǔn)工作模式。
在回顧我國(guó)自由電子激光裝置的建設(shè)成就和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)候，可以清晰地看到，不論是SXFEL、DCLS，還是正在建設(shè)中的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃優(yōu)先項(xiàng)目——高重復(fù)頻率硬X射線自由電子激光SHINE，努力追求更好光源的根本目的是要為其他前沿領(lǐng)域的科學(xué)家提供科研利器，以此支撐我國(guó)科學(xué)家探索世界、認(rèn)識(shí)世界、改造世界。
除了生命科學(xué)，在物理、化學(xué)、能源、材料等多個(gè)領(lǐng)域，X射線自由電子激光已經(jīng)催生了很多革命性的成果，幫助人類在前沿領(lǐng)域披荊斬棘。作為我們探索世界、追求真知的有力工具，未來(lái)的先進(jìn)光源，會(huì)以更高的亮度、更短的脈沖、更好的相干度，繼續(xù)著人類格物致知、追求進(jìn)步的征程。
（本文題圖：Photo by VED on Unsplash）
“世界科學(xué)”聯(lián)合“賽先生”微信公號(hào)，在上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助下，開(kāi)辟“走近科學(xué)”欄目，對(duì)獲得國(guó)家及上海市科技獎(jiǎng)勵(lì)的成果進(jìn)行科普化報(bào)道。