想象一下如果我们能观看分子和原子的“电影”，实时看到它们如何互动，理解化学反应的每一个微小步骤，或是精确到纳米级别的物质结构变化，我们将能够直接深入探索微观世界。微观层面深入洞察的需求推动了SLAC直线加速器相干光源（Linac Coherent Light Source, LCLS）的发展。LCLS的独特之处在于其产生的X射线具有前所未有的亮度和极短的脉冲持续时间，这使得它能够捕捉到其他设施无法观测的瞬态和极微小的现象。这一能力为世界各地的科学家们提供了一个全新的机会，让他们能够实时观察并理解分子和原子级别的动态过程。
LCLS位于美国加州的SLAC国家加速器实验室，是全球首个硬X射线自由电子激光设施。其利用超长直线加速器将电子加速至接近光速，并通过波荡器产生极短且极亮的X射线脉冲，脉冲的亮度是传统X射线源的数百万倍，持续时间仅为数飞秒（10-15s）。这一性能使LCLS能捕捉到传统技术无法实时观测的快速过程，如瞬态化学反应过程、蛋白质折叠及材料的微纳结构变化。在原子、分子及光物理领域，LCLS的技术不仅揭示了物质的基本性质，还推动了新材料和技术的发展。
从2009年开始运行至今，LCLS已经证明了其在物理学、化学、材料科学和生物学等领域的科研价值，成为了全球科研人员的宝贵资源。值得一提的是，其升级版本LCLS-II将X射线科学推向了全新的高度。LCLS-II能够产生高达每秒一百万个X射线脉冲，是LCLS的8000倍，并且能产生几乎连续的X射线束。平均而言，这种X射线束的亮度将比其前身高出10,000倍，创下了当今世界上最强大的X射线光源的新纪录。LCLS-II带来的前所未有的性能将进一步加速科学研究的进程，使我们能够探索更多未知的科学领域。
LCLS-II光注入器系统相较于上一代LCLS系统具有显著的改进，提供了更高的输出光子能量（从0.25 keV-5 keV）和光子效率（每脉冲产生超过1010光子，直至约5 keV的光子能量）。光电阴极激光系统产生的紫外脉冲照射到高场射频枪中的光电阴极上，这些紫外脉冲产生光电子，随后被射频（Radio Frequency, RF）场加速，产生高平均功率、高效率和高质量的电子束团。紫外脉冲同时影响电子束团的持续时间和发散度。此外，紫外产生系统集成了先进的诊断和控制技术，使用户能够精确调节束流参数以满足广泛的实验需求。具体来说，该系统利用声光可编程色散滤波器和空间光调制器，实现了同步转换的红外光谱幅度和相位的可编程控制。这些设备允许高速控制，并且与诊断系统相连时可以形成一个高速反馈系统，用于灵活定制激发光阴极系统的紫外光束整形。
本篇综述发表在High Power Laser Science and Engineering 2024年第4期 (Zhang Hao, Gilevich Sasha, Miahnahri Alan, Alverson Shawn, Brachmann Axel, Duris Joseph, Franz Paris, Fry Alan, Hirschman Jack, Larsen Kirk, Lemons Randy, Li Siqi, Lu Brittany, Marinelli Agostino, Martinez Mikael, May Justin, Milshtein Erel, Murari Krishna, Neveu Nicole, Robinson Joseph , Schmerge John, Sun Linshan, Vecchione Theodore, Xu Chengcheng, Zhou Feng, Carbajo Sergio. The LCLS-II Photoinjector Laser Infrastructure[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2024: DOI: https://doi.org/10.1017/hpl.2024.33.)
完整的LCLS-II系统如图2a所示，LCLS-II光注入器是整个系统的核心部分，安装在最前端（红框区域）。红外（Infrared, IR）前端系统是一种镱基啁啾脉冲放大器（CPA）系统，能够在1030 nm下产生高达50 μJ/脉冲，在330 fs的变换极限持续时间内产生高达1 MHz的重复率。种子激光器为锁模振荡器，其与设施的射频系统相位锁定（如图2b所示-LCLS-II RF锁定定时系统），并且设计使用光学互相关器和短脉冲模块进行时间脉冲整形诊断。该模块从振荡器中获取信号（约80 fs脉冲持续时间，12 nJ/脉冲能量），并通过光纤放大进行放大，从而以振荡器46.5 MHz的重复频率产生持续时间低于75 fs的短IR脉冲。该装置可确保激光脉冲保持预期特性（约50 fs FWHM，每个脉冲50 µJ，中心位于1030 nm），从而保证系统处于最佳状态。激光系统将包括一个可编程的光谱相位和振幅整形器，允许IR光谱操作并帮助UV脉冲的时间脉冲整形，以减少光阴极上的空间电荷效应，增强电子束的产生效率和质量。LCLS可以24/7全天候运行，持续数周至数月，几乎不需干预。在LCLS-II的调试和初期运行阶段，重复频率被设定在1 Hz到100 kHz之间，短期内可达到1 MHz。
图2 (a) LCLS-II整体布局的简化示意图（从光注入器至近/远实验大厅）；(b) 光电阴极驱动激光系统的简图
LCLS-II激光加热系统的布置如图3所示，包括新加入的高功率、高重复率的1030 nm激光器，偏转磁铁，OTR屏幕，能量准直器，用于校准激光与电子束的YAG校准屏幕，以及波荡器。位于L0加速器节点的下游，大约在100 MeV位置。该系统针对LCLS-II进行了特别的适配，后者的平均亮度比LCLS-I高出10,000倍，并且其运行的重复频率快8,000倍，能够每秒提供高达一百万脉冲。在LCLS-I和LCLS-II中，激光加热器被用来抑制电子束的微波不稳定性，从而提高激光输出的质量和稳定性。它通过外部引入能量散射来增加电子束的能量宽度，从而减弱电子间的相互作用。
图3 LCLS-II激光加热器简图
本文全面回顾了LCLS-II及未来LCLS-II-High Energy设施中关键的光注入器基础设施，包括LCLS-II光阴极激光系统、激光加热器、光束传输等子系统及其工程挑战，并强调了关于光注入器激光脉冲的时空整形、可见光范围光电阴极的研发和自适应时空整形的研究。虽然本文解决了LCLS-II的核心问题，但特定问题如紫外光束质量和脉冲整形的研究仍在进行中。
未来，团队将致力于发展紫外脉冲整形技术，并计划将其整合到现有的设备系统中。这样做的目标是最小化电子束的横向发射度，从而提高整体性能。LCLS-II光注入器的发展不仅推动了X射线和阿秒科学，也为高分辨率的时空探测开辟了新途径，这将深化我们对原子、分子结构和动态生物过程的理解，推动技术和实验方法的创新，重塑我们对世界基本层面的认知。
张皓，加拿大量子卑诗学者，美国加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系的博士研究生，美国SLAC国家加速器实验室的客座物理学家和斯坦福大学访问学者，师从Sergio Carbajo教授。他在天津大学获得学士学位，师从马凯学教授；随后在加拿大维多利亚大学和不列颠哥伦比亚大学进行联合培养获得应用科学硕士学位，师从Reuven Gordon教授。他的研究重点包括非线性光学，超快光学，等离子体增强光学捕获和微波-光子量子转导。目前作为第一/共同/通讯作者已发表十余篇SCI/EI论文，拥有两项中国发明专利和一项正在审理中的美国发明专利。此外，他曾在多个国际高水平会议进行报告，并担任2022 SPIE Optics + Photonics会议的分会场代理主席。
Sasha Gilevich，美国SLAC国家加速器实验室LCLS激光工程资深物理学家，本文LCLS-II光注入器的主要负责人之一。
Sergio Carbajo，美国加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系、物理与天文系的助理教授，斯坦福大学SLAC国家加速器实验室光子科学部的科学家，客座教授。2015年，他从麻省理工学院电子研究实验室、德国汉堡大学和德国电子同步加速器自由电子激光科学中心同时获得联合博士学位。他获得了多个奖项，以表彰他对超快光子科学的贡献及其在生命和能源科学中的应用，包括2024年美国海军研究办公室青年研究员奖、2023年加州大学洛杉矶分校创新研究员、2023年度AFOSR青年研究员计划奖、2021年皇家化学学会地平线奖、2021 SPIE早期职业奖、2019年日本科学促进会研究员奖、SRI 2018年青年科学家奖和2015年PIER亥姆霍兹基金会论文奖等。Carbajo教授在加州大学洛杉矶分校和美国粒子加速器学校教授光子学、超快和量子光学以及加速器物理学。他目前主持多项由美国能源部和美国国家科学基金会资助的研究项目，已获得多项美国发明专利，并发表了超过100篇经过同行评审的研究论文，包括两本专著。此外，他还应邀在60多个国际学术会议上报告，并多次担任会议主席。现担任High Power Laser Science and Engineering 期刊青年编委。
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