基于自由电子激光的散射技术及谱学方法进展

自由电子激光(free electron laser,FEL)凭借高相干性、高亮度、覆盖远红外至X射线波段的连续可调性,在基础科学研究、新材料、新能源、生物医学、环境监测等众多领域有着广泛的应用前景.特别是X射线自由电子激光(X-ray free-electron laser,XFEL)以其独特的超高亮度、超短脉冲、极好相干性,强力地推动了超快X射线散射和超快光谱学领域的发展.基于XFEL的超快散射技术不仅实现了对晶格动力学、电荷和自旋序的超快时间和动量分辨研究,还能够测量大动量转移范围的声子色散.将基于XFEL的超快散射与光谱学手段相结合,有望同时测量元激发能态变化及其相关的原子或序结构变化.基于XFEL的光谱学正尝试充分利用自放大自发辐射模式(self amplified spontaneous emission,SASE)的全带宽,以减少脉冲延展,最终实现时间和能量分辨接近傅里叶变换极限的光谱测量.基于XFEL的非线性光学技术为探测元激发开辟了新途径,正在发展的新方法有望为探索表面和界面过程、手性、纳米尺度传输提供独特的机会,并实现多维度芯能级光谱学.