X射線自由電子雷射是一種全新的光源，具有高峰值亮度、超短時間脈衝、接近傅立葉變換極限的頻譜線寬、波長可調諧和全相干的優越特性，讓人們能用亞納米尺度的空間分辨能力研究飛秒時間尺度的原子與分子體系的結構和超快動力學過程，已成為破解生物、物理、化學及材料等眾多科學前沿重大難題的科研利器，為實驗科學的發展提供了一個嶄新的革命性技術。XFEL的出現使得泵浦-探針實驗、X射線相干散射成像實驗、X射線衍射成像實驗成為可能，也使得化學、物理、材料、生物學研究從拍攝分子照片的時代跨越到了錄製分子電影的時代，將帶來相關科學和技術領域的一系列重大變革。X射線自由電子雷射的建設和應用對我國基礎科學、前沿技術和工業領域的發展具有戰略性重要意義。
硬X射線通常是指波長較短，能量較高的x射線，波長在0.01nm～0.1nm之間，穿透性較強, 適用於金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。硬x射線自由電子雷射將為多學科提供高分辨成像、超快過程探索、先進結構解析等尖端研究手段。主要國家在X射線自由電子雷射方面均積極布局，截至目前，世界上在運行的硬X射線自由電子雷射裝置有5個，在建或升級的有2個（表1）。
軟X射線指波長在0.1nm以上的X射線。目前，國際上正在運行的軟X射線自由電子雷射裝置有2臺，設計和在建的裝置有6臺（表2）。
X射線自由電子雷射設施的論文產出最早開始於1993年，前期主要側重於設施自身的研發，論文產出較少，但自2007年開始，隨時各類X射線自由電子雷射光源設施陸續投入運行，該領域的論文產出開始迅速增長，近3年的論文產出均在200篇以上，其中硬X射線光源的論文產出量遠高於軟X射線光源，並與總體論文產出變化趨勢一致（圖1）。
對X射線自由電子雷射設施論文產出的關鍵詞進行可視化分析（圖2，其中圓圈的大小代表關鍵詞出現的頻率高低），可以看出，該領域研究論文大體可以分為5個領域：1）X射線自由電子雷射機身的相關技術研究，如X射線散射、光譜、動力學等（紅色）；2）X射線自由電子雷射在物理、化學、生命科學領域的應用（藍色），涉及X射線衍射、膜蛋白等相關研究；3）極紫外X射線自由電子雷射相關研究（綠色），如軟X射線、原子簇等；4）X射線自由電子雷射在晶體學領域的相關研究（黃色）；5）X射線自由電子雷射在儀器及儀表領域的相關研究（紫色）。
XFEL在物理科學方面的應用將解答下述問題：化學鍵斷裂過程中原子是如何運動的？光致原子運動或者輻射損傷的反應通道是什麼？這些原子運動規律是所有化學反應的基礎。原子核運動的時間尺度為飛秒級，價電子運動的時間尺度為百阿秒級，而內層電子的運動會更快。XFEL提供的超短脈衝和超高強度特性為原子尺度空間分辨的分子結構動力學研究提供了強有力的工具(趙振堂等，2015)，將在空心原子與分子爆炸研究、泵浦—探針譜學、關聯體系動力學等方面發揮重要作用。
2012年，研究人員利用LCLS獲得了尺寸僅為1 μm左右的溶菌酶晶體的室溫下1.8Å解析度的晶體結構，證實了通過基於XFEL的SFX方法解析蛋白質晶體結構的可行性。隨後，短短的幾年裡科學家們利用該方法在結構生物學領域取得了許多突破性的進展，帶領X射線晶體學進入一個即將產生巨變的時代(何建華等，2018)。未來將在近自然/生理狀態下解析微小蛋白質晶體結構、重要膜蛋白晶體結構解析、時間分辨晶體學的研究、底物驅動的慢反應過程監測研究過程中發揮基礎性作用。
X射線自由電子雷射可以對惰性氣體原子在強雷射場中的電離行為進行研究，也可以用於觀察光化學反應中的超快動力學過程(馮赫等，2016)。X射線自由電子雷射可以滿足化學反應中電子、原子和分子的動力學在飛秒時間尺度的研究，引入在飛秒化學中非常成熟的時間分辨(抽運-探測)實驗方法，結合先進的探測技術，如吸收或發射光譜、光電離能譜(光子-離子/光電子能譜)，反應碎片動量分布和角分布等，實時測量分子在時域上的結構變化和控制電離、解離過程中的反應通道，再現分子內部的微觀動力學過程。X射線自由電子雷射未來將在惰性氣體原子的光電離激發研究、分子超快動力學研究等方面發揮重要作用。
由X射線自由電子雷射產生的飛秒X射線脈衝同時擁有原子納米空間解析度和飛秒時間解析度兩大鮮明優勢，從而為我們在原子運動時間尺度上研究體系的結構動力學過程提供了前所未有的技術手段。XFEL大量的實驗技術可以用於高時間分辨的材料研究，相關技術包括：時間分辨技術、飛秒X射線吸收光譜、飛秒X射線發射光譜、飛秒共振非彈性X射線散射(Resonant Inelastic X-ray Scattering，RIXS)、飛秒X射線衍射(X-ray Diffraction)、飛秒X射線漫散射(X-ray Diffuse Scattering，XDS)。
我國目前還沒有運行的X射線自由電子雷射裝置，實驗方法學的研究與國際上有很大差距，有很大加強和提升的空間。應該積極開展XFEL的實驗技術與方法學研究，以保證未來X射線自由電子雷射裝置能夠高水平地服務於各學科的前沿研究。
XFEL作為多學科支撐平臺，為多個學科的研究，包括物理、化學、材料和生命科學等提供了強大的探測和研究能力，我國應當重視對相關科研應用的支持，基於XFEL的技術特點，預先規劃部署相關科研應用，與XFEL實驗技術相輔相成，從而牽引並推動我國XFEL實驗技術的研究和發展。
建議在國家層面設立XFEL國際合作專項，大力推動與世界各XFEL裝置建設運行單位的合作交流。國際上其他XFEL建設單位在實驗技術與分析方法上其各具特色，應結合各自優勢展開多方位合作。從而帶動我國相關技術的自主設計和研發能力，確保我國X射線自由電子雷射裝置能夠為我們的前沿科學研究和技術提供強有力的支撐。
本文摘選自《國際科學技術前沿報告2019》「第11章 X射線自由電子雷射國際發展態勢分析」。