光，可能是人们最为了解的物质之一。由于有了光，国际遍地有了能量，国际显得鲜活多彩，万物呈现出各种尺度、形状和色彩。现在咱们已习惯用相机摄影或拍视频来记载微观事物，科学家们手上也有一种超快超强的微观国际录像机，它被称为自由电子激光设备。

  那什么是自由电子激光？它和一般的激光有何不同之处？为什么它可以给微观的分子或原子录像呢？

  光是人类捕捉国际信息的最重要的东西，根据可见光的显微镜和望远镜，让人类看到了藐小的微生物和悠远的恒星。但要逐渐观察资料内部原子的组成和摆放方法等微观信息，就要依赖于波长更短的X射线年始，科学家们造出了从一代到四代的同步辐射光源，把光的亮度不断的进步，特别X射线的“摄影”分辩率达到了史无前例的精度。但是同步辐射光源的X射线并不是相干光源，假如用于给原子分子“拍视频”则功能短缺了许多。

  科学家们想到了相干性最好的光源——激光。惯例的激光起源于原子、分子或固态能级上的电子在粒子数翻转之后发生的量子受激辐射，也便是归于束缚电子激光，但这种形式并不能发生极短波长的X射线。要把X射线变成一束具有相干性的激光，需求凭借高速运动的自由电子。

  使用直线加快器把电子束加快到挨近光速，然后将它们放入周期性改变的横向磁场（也称之为波荡器）里振动起来并不断对外自发辐射，自发辐射的光又与电子束自身重复耦合，挑选出特定能量的光完成不断增益，直到饱和状态并输出，这便是一束具有相干性的自由电子激光。引进高次谐波发生作为种子光，还能愈加进一步改进自由电子激光的相干性。

  1977年4月美国斯坦福大学的科研人员搭建了第一台自由电子激光振动器，根据加快器的方法完成了远红外自由电子激光。21世纪初，德国汉堡电子对撞中心（DESY）的科学家研发出了X射线自由电子激光设备，其亮度相当于自然光强度的1000万倍。现在国际上已建成的自由电子激光设备有许多，如德国电子同步加快器实验室的软X射线自由电子激光设备(FLASH)、美国国家加快器实验室的直线加快器相干光源(LCLS)、欧洲X射线自由电子激光设备(European-XFEL)、韩国浦项自由电子激光设备(PAL-XFEL)、及瑞士自由电子激光设备(SwissFEL)等。

  我国早在1994年就建成了中红外波段的北京自由电子激光设备(BFEL)；2016年建成的极紫外波段大连相干光源(DCLS)，是国际上最亮的极紫外光源；2017年在成都建成高平均功率太赫兹自由电子激光设备(CTFEL)，同年上海软X射线自由电子激光试验设备正式出光，并将进一步晋级为用户设备(SXFEL)；2018年，上海硬X射线自由电子激光设备(SHINE)开工建造，并将于2024年9月设备用户设备。

  坐落上海张江科学城的硬X射线自由电子激光设备，全长3.11公里，含有1台8 GeV的超导直线条波荡器线 PW超强超短激光体系，以及第一批10个实验站，将兼具纳米级超高空间分辩才能和飞秒级超快时刻分辩才能。

  自由电子激光统筹了一般激光的相干性和同步光源的高能量、高亮度、高分辩等优势，可以说是超强超快超高能的微观国际“闪光灯录像机”，在动力、生命、资料、物理、化学等多个学科都有顶级使用。它能捕捉到化学键开裂进程的原子运动、原子分子在极点条件下的奇特物态、杂乱分子的电荷输运进程、相变进程中电子或原子的超快动力学进程等等。关于细小蛋白质晶体或纳米结构资料，超短超强飞秒X射线脉冲可以在损害样品之前，就取得晶体的3D结构乃至电子态信息，拍出来的视频可谓是“快、准、清”。

  自由电子激光技能依然处于欣欣向荣的阶段，未来必将极大促进根底科研的开展和前沿技能的创造，使人类关于物质国际的知道迈入一个簇新的阶段。