随机性打开了摄影术之门

阻碍以十亿分之一秒的十亿分之一速度进行摄影和拍摄的最后障碍之一已经消失。去除它的关键在于形成X射线激光脉冲过程的随机性。

去除X射线光学器件消除了阻碍观察原子和分子电子态超快速变化的最后障碍之一。 图片来源：IFJ PAN / Anna Wach

当今世界上只有很少的X射线激光器。这些先进的设备甚至可以用来记录极其快速的过程，例如原子电子状态的变化。现代X射线激光产生的脉冲已经足够短，可以考虑拍摄attophoto或attofilm了。但是，仍然存在的问题是X射线光学系统本身。当超短X射线脉冲离开产生它的激光器时，可以将其时间延长十倍。

由克拉科夫波兰科学院核物理研究所的Jakub Szlachetko博士和Joanna Czapla-Masztafiak博士以及位于克拉科夫的Physikalisch-Technische Bundesanstalt的Yves Kayser博士监督下的国际物理学家小组在《自然通讯》中证明，X射线光学不再是障碍。该出版物是在加州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源（LCLS）X射线激光器上进行研究的结果。

Szlachetko博士笑着说：“摆脱X射线光学系统问题的最佳方法是……摆脱X射线光学系统。” “我们没有找到解决问题的方法，而是找到了解决方法。有趣的是，我们偶然更换了光学系统。从字面上看！我们已经证明，使用随机过程，熟练的技术人员可以获得比当前X射线激光脉冲更好的参数。”

物理本身可以帮助设计人员，这并不是X射线激光史上的第一种情况。在经典激光器中，关键要素是光谐振器。这是一个反射镜系统，只能增强特定波长的光子，并沿特定方向移动。长期以来，由于缺少能够反射X射线的反射镜，X射线激光器被认为无法建造。当注意到谐振器可以被替换时...仅用相对论物理学就可以消除这一障碍。当电子加速到接近光速时，它沿着由许多交替排列的磁体组成的系统传递时，它不是沿直线移动，而是围绕其移动，同时失去能量。相对论效应迫使电子不沿任何随机方向而是沿电子束的原始方向发射高能光子（因此，其名称为：自由电子激光—FEL）。

对X射线激光相关的领域寄予厚望是因为它们可以用于记录化学反应。每个单个激光脉冲可以提供有关被观察系统（原子或分子）当前电子状态的信息。同时，脉冲能量是如此之高，以至于在记录图像之后，照明物体就不复存在了。幸运的是，观察过程可以重复很多次。在更长的时间范围内收集的图像使科学家能够准确地重建所研究化学反应的所有阶段。“可以将这种情况与尝试用闪光灯照相机拍摄相同类型的事件进行比较。当我们拍摄足够数量相同事件的照片时，我们可以使用它们来制作高精确度的胶卷，以显示在一次事件中发生的情况。 Czapla-Masztafiak博士解释说：“问题是X射线激光器产生的脉冲是自发自增强受激发射而产生的，无法完全控制。”

脉冲的自发特性意味着在X射线激光器中，后续脉冲的参数并不完全相同。脉冲出现较早，之后又出现一次，它们在光子的能量及其数量方面也略有不同。在所提出的类比中，这将对应于以下情况：在随机时刻激活不同闪光灯组件拍摄后续照片。X射线脉冲不可避免的随机性迫使物理学家在FEL激光器中安装其他光学诊断设备。结果，即使激光产生了一个亚秒持续时间的原始脉冲，它也被X射线光学系统扩展到了飞秒。现在事实证明，以允许重建化学反应的方式记录原子或分子的电子状态，不需要具有精确控制参数的脉冲。“移除X射线光学器件还使我们能够使用极高能量的脉冲来研究非线性效应。这意味着原子在某个点开始对X射线透明，这反过来又导致了X射线吸收的增加，辐射范围不同。” Szlachetko博士解释说。

该新方法将与IFJ PAN一起在使用当前X射线激光器进行的实验中引入：德国汉堡附近的欧洲XFEL（瑞士）和维利根（瑞士）的SwissFEL。与化学实验方面新技术测试相关的工作是与华沙波兰科学院物理化学研究所的Jacinto Sa博士和乌普萨拉大学密切合作进行的。在所提出的技术背景下，值得强调的是，在经典光学情况下，存在与光学仪器分辨率有关的一些纯粹物理限制，例如著名的衍射极限。新方法没有物理限制-因为没有光学器件。因此，如果出现X射线激光的脉冲比当前产生的脉冲更短，则新技术可以成功地与它们一起使用。