開篇這幅圖是不是很炫？小編來帶你讀圖。
這幅圖展示的是史丹福大學SLAC國家加速器實驗室的科學家使用X射線自由電子雷射將液柱截斷的瞬態過程。圖中夢幻般的兩把「小傘」就是液柱蒸發時形成的水膜。
回味之餘，你腦袋裡是不是浮現了這樣一個問題：自由電子雷射是個啥？
自由電子雷射是利用相對論性的自由電子為工作媒質產生的強相干輻射。由於它的工作介質是自由電子，因此被稱為自由電子雷射。自由電子雷射的特點是雷射波長和脈衝結構可以根據需要進行設計，並且能夠在大範圍內連續調節。
自由電子雷射VS傳統雷射
與傳統雷射器相比，自由電子雷射採用了極為不同的光束產生方案。不同於普通雷射器中電子在原子或分子的束縛能級之間躍遷從而產生電磁輻射的原理，自由電子雷射使用在特殊設計的磁場結構中自由運動的相對論性的電子束作為雷射介質。
自由電子雷射可以覆蓋更寬的頻率範圍，並能在較大的範圍內調節，目前調節能力已經足可實現從微波波段，經過太赫茲波段、紅外波段，到可見波段、紫外波段，甚至X射線波段。由於上述優勢，自由電子雷射被稱為繼同步輻射之後的第四代光源。
你要說了，單是激發介質不同和頻譜可調，這有啥稀罕的？別著急，我正要講自由電子雷射最酷的一點：它的亮度跟其他光源相比可不是高一星半點啊。看下圖便知。
自由電子雷射相比於X射線發射管，一代同步（如作為兼用光源的北京同步輻射裝置），二代同步（如合肥同步輻射裝置），三代同步（如上海光源）的亮度對比
自由電子雷射華麗生成記
自由電子雷射，是一個以波蕩器磁場為媒介，高能相對論性電子束和光場相互作用並進行能量交換的系統。在波蕩器的周期性磁場作用下，電子束髮生橫向周期性振蕩，發生自發輻射。處於光場不同相位處的電子，其受到的能量調製不同，不同能量的電子扭擺運動時經過的路徑長度不同，使得電子束團產生群聚效應，從而提高了能量交換的效率，而原來均勻分布電子束時的小信號增益，逐漸演化為群聚電子束時的指數增益。
靠相對論性的自由電子束來輻射電磁能量，發射光子又高度相干，可不就叫自由電子雷射嘛。（恍然大悟狀）
自由電子雷射的產生機理示意圖
國際領先的自由電子雷射裝置
自1971年史丹福大學的John Madey（PS: 復旦大學的施鬱老師很看好這位哥們兒拿諾獎的，可惜今年7月5日去世了）發明自由電子雷射以來，遠紅外、近紅外和可見光波段的自由電子雷射都早已實現。隨著技術的不斷發展，科學家不斷向短波長方向進軍。當然了，波長越短，要實現起來所面臨的科學和技術難題也越具挑戰性。目前，只有美國、德國等極少數國家實現了X射線波段的自由電子雷射。
德國自由電子雷射裝置
2006年，世界上第一臺軟X射線自由電子雷射（FLASH）誕生於德國漢堡同步加速器實驗室（DESY）。在當時，該自由電子雷射裝置創造出最短波長13.5 nm、每秒150次脈衝、每發脈衝雷射能量達170μJ的世界紀錄，並首次得到了非晶樣品的高解析度衍射圖像。
德國FLASH
由於DESY 實驗室在短波長自由電子雷射方面取得了巨大成功，隨後，它孕育了一個更大的裝置——歐洲X射線自由電子雷射設施。10月7日，國際知名期刊Science對新建成的歐洲X射線自由電子雷射設施作了深度報導。它是世界上最大X射線自由電子雷射設施，足有3.4 km這麼長。這一裝置目前尚處於調試階段。
美國自由電子雷射裝置
2009年，第一臺硬X射線自由電子雷射（LCLS）終於橫空出世。LCLS是在美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）調試成功的。最初測試時LCLS得到的輻射波長為 0.15 nm，是當時世界上波長最短、能量最高的X射線雷射。
美國LCLS
下圖展示了今年在LCLS上實現的用X射線雷射蒸發截斷液體噴流的瞬態圖像，是不是有種如夢如幻的詩意？
X射線脈衝使液柱斷裂的情景
日本與韓國的自由電子雷射裝置
2011年，日本的硬X射線自由電子雷射裝置SACLA受激出光，創造了波長為0.08nm的新紀錄。
2016年，韓國浦項加速器研究所的第四代放射光加速器（PAL-XFEL）成功發出了0.5 nm波長的X射線雷射。
韓國的PAL-XFEL
中國的自由電子雷射裝置
9月24日，我國第一臺自由電子雷射大科學用戶裝置——大連相干光源實現首次出光。在完成調試之後，這一裝置將產生世界上最強的極紫外光束。光源的每一個雷射脈衝可以發出超過10萬億個光子，波長可在50~150 nm連續可調，具有完全的相干性，脈衝長度可以在飛秒和皮秒模式之間選擇。
大連相干光源現場裝置圖
另外，我國最大的軟X射線自由電子雷射試驗裝置（SXFEL）正在建設當中，主體裝置預計於2017年建成。SXFEL建設選址於上海張江高科技園區的上海光源園區內。項目建成以後，將對我國發展第四代光源、促進相關學科發展和技術進步起到重要作用。
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