X 射线自由电子激光

自由电子没有原子能级，怎样把微弱的光放大？ 光先调制电子的能量，电子再聚成细团，把动能交给同一束光，放大逐渐走向饱和。用短脉冲探测受激样品，还要逐发校准能量与到达时间，才能分清样品变化和脉冲本身的宽度。

沿波荡器看电子先被调制，再聚成细密的束团；用同一次脉冲的能量与定时记录，测一片受泵浦激发的样品。

聚束、辐射、探测

可拖动金色手柄。每次采集扫描九个延迟位置；偏移量会平移整条扫描。演示采用经过数值核查的光源，其他光源设置先作预览。

波荡器强度 1.2相互作用长度 8共振种子场 0.02延迟扫描偏移 / fs0

泵浦能量与电子能散

光学泵浦能量 / µJ1标度电子能散 0.15

正在准备一次新的默认测量……

模型假设

给定电子束与有效横截面的有限、一维、带种子 FEL 教学模型；复光场和电子相位、能量共同演化，辐射向束头滑移。横向衍射、发射度、谐波、尾场和真实设施性能均不在模型内。无种子演示仅为均匀合作单元的短程启动极限，不是有限 SASE 脉冲，也不能给出样品寿命。X 射线种子与激发样品的 800 纳米光学泵浦是两束不同的光。装置图按纵向与横向分别缩放，孔径、电子摆幅和执行器位移另作放大；慢放标记数不表示光子数。探测像素、能量 ADC、编码器和模糊定时轨迹是模拟读出，另列的光场、相空间和理想光子账目是正向模型参考。每次采集重新生成有限读出，不复用旧探测记录；推断不读取种子、隐藏时移或未知样品寿命。1 飞秒像素间隔不等于 1 飞秒分辨率。只在独立标定、参考、时间覆盖与数值精度允许时报告样品时间常数；无法分辨的快响应保留限制。

电子怎样把光放大

当前光源模型参考。青色为北极，锈红为南极。

辐射增长与电子聚束 · 模拟参考

查看位置

如何读源图

这次脉冲实际测到了什么

已保存的测量

同一次脉冲的空间定时轨迹 · 实际 ADC 码。像素间隔表示采样，不表示分辨率。

有限的泵浦关／开样品观测 · 保留参考限制与不支持的结果。

脉冲参考、探测像素与定时限制

当前光源期望值，独立于所选曝光；这不是重建的复光场。

实际探测曝光 · 采得的像素，独立于光源诊断。

模糊的光学定时轨迹约束脉冲核，并未测量 X 射线相位，也不能证明时间相干性。未分辨的快响应不能报告为测得的零寿命。

原始观测与独立参考

表格概括每一帧；JSON 和 CSV 保留全部探测与定时像素。横向滚动可查看标定结果。

帧	用途	泵浦	触发时钟码	编码器码	能量 ADC	泵浦 ADC	探测 ADC 总和	首个定时 ADC	台面延迟 / fs	透射率	标准不确定度

光源账目与模型限制

装置显示开泵的代表光路；采集协议另含关泵对照。

终端	计数或能量

给定光学中继作为外部动量库；这里不声称整个装置满足孤立系统的四动量平衡。

\theta_j'=p_j,\qquad p_j'=-2\operatorname{Re}\!\left(Ae^{i\theta_j}\right)

\left(\partial_\zeta+\partial_s\right)A=n(s)\sum_jw_je^{-i\theta_j}

保存或重新打开完整测量

导入

最多八条不可变记录；解码后不超过 64 MiB，文本不超过 96 MiB。导出保留原始读出、单位和独立标定；未通过检查的导入不改变会话。

在空白会话重新打开档案

核心问题: 光怎样聚拢电子，再帮助我们量出样品变化？
一句话直觉: 电子与光共同演化产生放大；样品的变化要连同这一次脉冲的宽度和到达时间一起判断。

核心数学模型

前向共振波长

\lambda_r=\frac{\lambda_u}{2\gamma^2}\left(1+\frac{K^2}{2}\right)

波荡器周期、电子能量和磁场强度共同决定共振波长。这里采用给定电子束与平面波荡器的一维近轴模型。

电子调制与光场共同演化

\frac{d\theta_j}{d\zeta}=p_j,\qquad\frac{dp_j}{d\zeta}=-2\operatorname{Re}(Ae^{i\theta_j}),\qquad(\partial_\zeta+\partial_s)A=n\sum_j w_j e^{-i\theta_j}

相位表示电子在光波中的位置，缩放能量控制它怎样前后移动；光场反过来改变电子能量。辐射向束头滑移，离开计算窗口的能量另行保留。

延迟台改变实际光程

\Delta D=-\frac{2d}{c},\qquad D=t_{\mathrm{probe}}-t_{\mathrm{pump}}

延迟台正向移动时，两段光路一起变长，泵浦更晚到。定时零点另由参考标定；图中的机械位移放大不参与到达时间计算。

有限脉冲照到有限恢复过程

r_i(D,\tau)=\int_0^\infty k_i(D-u)e^{-u/\tau}\,du

每次曝光的脉冲交叠曲线与因果恢复共同决定透射。交叠曲线来自这一次模糊定时轨迹的测量约束，薄膜响应和光学模糊随标定一同传播。

常见难点

两束不同的种子与泵浦

容易误解照样品的光学泵浦就是波荡器里的 X 射线种子。

正确理解共振种子参与电子与 X 射线的放大；光学泵浦走另一条光路，在样品处触发变化。

采样与分辨

容易误解每个像素相差一飞秒，就能量出一飞秒的样品寿命。

正确理解像素间隔只决定采样。脉冲宽度、薄膜响应、模糊和噪声共同决定可分辨的时间尺度，需要已知参考检验。

动手实验

01
看细团怎样形成
选择“有种子的脉冲”，比较装置下方不同位置的电子相位与能量分布。
你会看到： 能量先出现起伏，电子再聚拢；光场增强与电子失能属于同一次相互作用。
02
把相互作用延长
选择“走向饱和”，沿增长曲线查看后面的变化。
你会看到： 更长的装置让电子进入失谐和俘获阶段，光能增长减缓，分布也继续变化。
03
比较另一种起步
选择“噪声启动辐射”，再回到带种子演示。
你会看到： 无种子比较由实际电子数确定初始涨落；这里只计算短程均匀单元，观察量是模式功率和聚束程度。
04
让探测光先经过
选择“探测光先到”，或拖动延迟台；比较镜子位置、光路与透射。
你会看到： 光程改变两倍位移。负的探测减泵浦延迟表示探测先到，照到的是尚未被泵浦激发的样品。
05
检查时间分辨能力
选择“快到无法分辨”，展开定时轨迹、参考和样品曲线。
你会看到： 很快的样品恢复可能被脉冲及定时薄膜抹宽；数据不足以区分时，结果保留范围，原始曝光仍可查看。

X 射线自由电子激光

电子怎样把光放大

这次脉冲实际测到了什么

从电子排队到样品的变化

核心数学模型

前向共振波长

电子调制与光场共同演化

延迟台改变实际光程

有限脉冲照到有限恢复过程

常见难点

两束不同的种子与泵浦

采样与分辨

动手实验

看细团怎样形成

把相互作用延长

比较另一种起步

让探测光先经过

检查时间分辨能力

相关实验与文章

文章

物理仪器怎样测量