X射线激光器为什么越亮意味着越暗

当我们照亮某物时，我们通常期望使用的光源越亮，得到的图像就越亮。该规则也适用于超短激光脉冲，但仅限于一定强度。为什么X射线衍射图像在非常高的X射线强度下“变暗”这个问题的答案不仅加深了对光与物质相互作用的基本理解，而且还为产生明显更短的激光脉冲提供了独特的视角。脉冲持续时间比目前可用的脉冲持续时间长。

光线越多越亮?如果不是因为它并不总是正确的事实，这个观察可能听起来微不足道。当用X射线超快激光脉冲照射硅晶体时，落在样品上的光子越多，即光束强度越高，所得衍射图像最初确实越亮。然而，最近观察到一种违反直觉的效应：当X射线束的强度开始超过某个临界值时，衍射图像会意外减弱。

这一令人费解的现象刚刚得到解释，这要归功于来自日本、波兰和德国研究机构的实验和理论物理学家的努力，其中包括位于兵库县的RIKENSPring-8中心、波兰科学院核物理研究所(IFJ)位于克拉科夫的PAN)和位于汉堡DESY实验室的自由电子激光科学中心(CFEL)。

X射线自由电子激光器(XFEL)产生非常强大的X射线脉冲，持续时间为飞秒，即万亿分之一秒。此类机器目前仅在世界上少数几个地点运行，除其他外，还用于通过X射线衍射分析物质结构。利用该技术，样品被X射线脉冲照射并记录衍射辐射。然后使用获得的衍射图像来重建所检查材料的原始晶体结构。

“直觉告诉我们，光子越多，样品的衍射图像应该越清晰。情况确实如此，但仅限于一定的X射线强度，每平方厘米数十万亿瓦的量级“当超过这个值时——我们最近才能够做到这一点——衍射信号突然开始减弱。我们的研究是解释这种意外效应的首次尝试。”BeataZiaja-Motyka教授(IFJPAN，DESY)，研究与超快X射线脉冲与物质相互作用相关的现象的理论建模和计算机模拟。

SACLA设施的实验装置用于晶体硅样品的衍射实验。图片来源：SACLA

为了解释在日本兵库县SACLA的XFEL设施中用XFEL激光发射晶体硅样品的实验结果而进行的理论研究得到了计算机模拟的支持。以下对观察到的现象的解释来自研究人员的工作。

“当大量高能光子撞击材料时，各种原子壳层中的电子会被大量击出，导致材料中的原子快速电离。去年，我们的小组表明，电离原子的第一次运动光脉冲击中样品后，大约延迟了20飞秒，晶格开始了样品的结构自毁过程。”

“我们现在确信，最近观察到的衍射信号减弱的原因是由于较早发生的现象，即相互作用的前六飞秒内发生的现象，”RIKENSPring-8中心负责该研究的IchiroInoue博士说。实验研究。

在X射线与物质相互作用的初始阶段，传入的高能光子不仅快速激发原子的“表面”(价)电子，而且还激发占据靠近原子核的深层原子壳层的电子。事实证明，原子中深壳孔的存在极大地降低了它们的原子散射因子，即决定观察到的衍射信号强度的量。

“我们的研究表明，在材料发生任何结构损坏和样品分解之前，首先会发生快速的电子损坏。因此，脉冲的最后部分实际上不再电离材料，因为X-进一步激发电子射线光子在能量上不再是可能的，”Ziaja-Motyka教授说。

乍一看，观察到的效果似乎并不理想，因为它导致记录的衍射图像的亮度降低。然而，人们似乎可以很好地利用这一发现。不同原子对超快X射线脉冲的响应不同的观察结果可能有助于根据记录的衍射图像更准确地重建三维复杂原子结构。

另一个潜在应用领域与产生脉冲持续时间极短的激光脉冲有关。由于高强度X射线脉冲通过的材料会“切断”已经超短脉冲的很大一部分，因此可以故意将其用作“剪刀”，以生成比迄今为止产生的脉冲实际上更短的脉冲。如果成功，这可能会刺激量子世界成像的另一个突破。

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