近日，中国科学院上海高等研究院联合德国电子同步加速器研究所在阿秒X射线研究方面取得重要进展。研究团队提出，在上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）上，通过优化直线加速器、束流分配以及波荡器的工作参数，即可在软X射线和硬X射线波段稳定产生兆赫兹重复频率、太瓦级峰值功率的阿秒X射线脉冲。

相关成果以“AttoSHINE: Generation of continuous-wave terawatt-scale attosecond X-ray pulses at SHINE”为题，发表于Science合作期刊Ultrafast Science，并被SPJ选为Featured Article在其首页推荐。论文第一作者和共同第一作者为中国科学院上海应用物理研究所颜冰阳博士研究生和许琛知博士研究生，通讯作者为德国电子同步加速器研究所（DESY）颜佳伟博士与中国科学院上海高等研究院邓海啸研究员。

图1：AttoSHINE自啁啾过程的示意结构图及其对应的电子束纵向相空间演化过程。

阿秒X射线脉冲是研究凝聚态体系、分子体系及强关联材料中超快电子动力学的重要工具，能够同时提供原子尺度的空间选择性和阿秒级时间分辨率。近年来，自由电子激光技术的持续发展，已将X射线脉冲长度从飞秒缩短至阿秒量级，显著拓展了超快X射线科学的研究能力。

本研究首次系统论证了我国首台连续波X射线自由电子激光装置SHINE具备在兆赫兹重复频率下稳定输出高强度阿秒X射线脉冲的潜力。研究团队创新性地利用自主提出的“自啁啾”方案，完全依托SHINE的基准硬件配置，仅仅通过束流动力学的优化调整，即可实现高峰值功率阿秒X射线脉冲的产生。该方案的核心原理在于利用电子束自身的集体效应，包括纵向空间电荷力和相干同步辐射效应，在束团内部形成强能量啁啾。随后，通过束流分配线对电子束进行极端的纵向压缩，形成超短的10kA峰值流强尖峰，从而辐射出强度显著增强的阿秒X射线脉冲。尤为重要的是，研究发现，在自由电子激光进入饱和之后，超辐射效应可进一步压缩X射线脉冲长度，并同时显著提升其峰值功率。

图2：考虑射频相位抖动影响时，硬 X 射线波段（6 keV）自由电子激光的模拟结果。

在考虑超导模组射频相位抖动等实际运行条件的情况下，数值模拟结果表明，SHINE在硬X射线波段（6 keV）可产生平均脉宽约300阿秒、峰值功率约0.8 太瓦的X射线脉冲（图2）。在1 keV软X射线波段，可实现平均脉宽约470阿秒、峰值功率同样达到太瓦量级的输出（图3）。

图3：考虑射频相位抖动影响时，软X 射线波段（1 keV）自由电子激光的模拟结果。

该研究成果为高重频、高峰值功率阿秒X射线光源的发展提供了新的技术路径。上海硬X射线自由电子激光装置有望同时实现阿秒级时间分辨率与兆赫兹重复频率，从而显著提升平均谱亮度。未来，该技术有望促进强关联材料中电子动力学研究，并为量子相干X射线谱学以及生物和化学体系的原子尺度超快成像提供新的实验手段。

本项研究得到了国家自然科学基金杰青项目、国家自然科学基金专项项目和中国科学院的资助支持。文章链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/ultrafastscience.0143