由于XFEL卓越的性能及其在基礎學科發(fā)展領域和科技創(chuàng)新方面的廣泛應用，多個國家和機構大力投入積極開展XFEL裝置的建設。目前，建成并投入使用的XFEL裝置包括德國電子同步加速器實驗室的FLASH 軟X 射線自由電子激光裝置(FLASH)、美國SLAC 國家加速器實驗室的直線加速器相干光源(LCLS)、日本理化學研究所的SACLA 裝置(SACLA)、意大利FERMI 軟X 射線自由電子激光裝置(FERMI)、歐洲X射線自由電子激光裝置(European-XFEL)、韓國浦項自由電子激光裝置(PAL-XFEL)、以及瑞士自由電子激光裝置(SwissFEL)。除此之外，許多國家正在建設或計劃在不久的將來建設X射線自由電子激光器，例如正在建設中的美國直線加速器相干光源二期(LCLSII)。我國也在早年就提出了建設FEL 的逐步實施規(guī)劃，早在1994 年就建成了中紅外波段的北京自由電子激光裝置(BFEL)，率先在亞洲實現(xiàn)了飽和出光。鑒于國外FEL裝置的快速發(fā)展，以及國內科學界的迫切需求，最近國家大力支持FEL裝置的建設,并取得了豐碩的成果。極紫外波段的大連相干光源(DCLS)和位于成都的高平均功率太赫茲自由電子激光裝置(CTFEL)于2017 年相繼建成；上海軟X射線自由電子激光試驗裝置(SH-XFEL Test Facility)也于2017 年出光，目前正在進行升級改造成為用戶裝置——上海軟X 射線自由電子激光裝置(SXFEL)；基于可調諧紅外激光的能源化學研究大型實驗裝置(FELiChEM)也將于2019 年完成驗收并對用戶開放。上海高重復頻率硬X射線自由電子激光裝置(SHINE)也于2018年4月破土動工。目前國際上XFEL裝置的光子能量范圍見圖2。

　　

圖2.國際上各XFEL裝置的光子能量范圍

特別值得指出的是，超短超強XFEL 脈沖的出現(xiàn)使得人們能夠研究原子尺度的飛秒超快過程�；�于泵浦——探測方法的飛秒X射線技術是以納米空間分辨率和飛秒時間分辨率直接研究超快動力學的最有力工具之一。其過程為：先利用飛秒激光脈沖泵浦樣品使其處于激發(fā)態(tài)，而后利用延遲的飛秒X射線脈沖進行探測。在過去的幾年中，人們發(fā)展了飛秒X 射線吸收光譜、飛秒X 射線發(fā)射光譜、飛秒共振非彈性X射線散射、飛秒X射線衍射、飛秒X射線漫散射、飛秒X射線磁圓二色性、飛秒角分辨光電子能譜等一系列新技術。其中，X射線吸收光譜(XAS)探測的是芯能級電子與未占據(jù)軌道的信息，而X射線發(fā)射光譜(XES)則反映了芯能級電子空穴與占據(jù)軌道的信息。當入射光子能量的一部分被轉移到系統(tǒng)中，使得入射和出射光子的能量彼此不同時，就會發(fā)生共振非彈性X 射線散射(RIXS)過程。RIXS 可以用來探測樣品的原子軌道、電荷、電子自旋與軌道耦合和磁自由度等信息。X射線漫散射則是研究非晶系統(tǒng)結構的一個有效的方法。這些實驗方法的發(fā)展和應用已經在各學科領域產生了大量有影響力的成果，并催生了一系列新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。本文下面幾節(jié)將簡要介紹XFEL 在物理、化學、生命科學和材料科學中的應用。如果讀者想要深入了解相關領域的進展，可以參閱《物理》雜志2018 年第七期和第八期的X射線自由電子激光專題。

三、X 射線自由電子激光在物理學中的應用

超短超強的XFEL脈沖能夠產生一些極端條件下的奇異物態(tài)。比如，在LCLS開展的首批實驗中，Young 等人觀測了氖原子在強場中的電離過程。實驗表明，聚焦的超強飛秒X射線脈沖能在100 飛秒內將氖原子的所有10 個電子依次剝離：內層的1s電子首先吸收一個光子而被電離，緊接著外層電子通過俄歇過程填補1s 軌道；接下來光電離和俄歇過程依次重復直到只剩兩個1s 電子因而無法再發(fā)生俄歇過程；如果光子能量大于Ne9+離子的電離能，那么氖原子的所有十個電子都會被X 射線電離。而如果光子能量小于某個中間離子態(tài)Nen+的電離能，那么Nen+就不會被繼續(xù)電離(如圖3 所示)。