激光器的發明，通過提供強相干可見光變革了光學領域，但將該概念擴展至X射線波段，一直受制于缺少合適的增益介質與反射鏡。當前硬X射線自由電子激光（XFEL）設施，通過高峰值電流電子束，在長波蕩器中單次通過自放大自發輻射放大散粒噪聲，實現了高亮度，但時間與光譜結構呈現噪聲較多、多峰分布的局限。

腔基X射線自由電子激光Cavity-based X-ray free-electron laser，CBXFEL，通過在布拉格反射腔內循環光譜濾波后的X射線脈沖，有望實現高重復頻率電子束同步。

圖1： 實驗裝置示意圖。

圖2： 光電二極管信號上升與下降軌跡。

近日，德國電子同步加速器研究所Patrick Rauer等在Nature上發文，實驗驗證了帶有腔內波蕩器的X射線腔內激光輸出行為。

在歐洲電子同步加速器的X射線自由電子激光XFEL裝置上，基于132.8米環形金剛石布拉格反射腔，在6.952 keV能量處，實現了多程增益的激光出射，并與超導加速器的2.23 MHz束團間隔精確匹配。在嚴格的腔長與角度穩定性要求下，觀測到腔內輻射，隨連續束團傳遞出現強度累積上升現象，產生了光譜純凈、微焦耳量級的脈沖。

圖3： 光學諧振腔掃描數據。

圖4： 光譜輪廓變窄。

圖5： 脈沖串內Intra-train強度演化。

該成果證實，腔基X射線自由電子激光CBXFEL在加速器環境中實現的可行性，并驗證了金剛石布拉格光學元件，用于X射線諧振腔的適用性。所展示的光譜純度為下一代要求高相干、穩定光源的X射線科學研究開辟了新道路。

參考文獻： 中國光學期刊網

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