欧洲X射线自由电子激光装置（European XFEL）的一支工程师与科学家团队首次展示，硬X射线谐振腔能够实现净X射线增益：X射线脉冲在晶体镜之间往返循环，并在每次循环中被放大，工作方式类似光学激光器。团队表示，这一概念验证实验产生了在硬X射线谱段具有前所未有质量的高度相干、激光般的X射线光。相关研究已发表在《自然》杂志上。

在短波长X射线领域，让光在腔体内形成激光发射长期被认为难度极高，其中一个基础原因在于X射线的特性使得光束难以实现大角度反射。研究团队指出，“XFELO”（X射线自由电子激光振荡器）技术有望为科学研究提供新的观测手段，覆盖从超快化学反应到微小生物结构的精细分析等方向。

从XFEL到XFELO：在谐振腔内循环放大

现有自由电子激光通常依赖线性电子加速器产生X射线脉冲：电场将由约1000亿电子组成的电子束团加速至接近光速，随后电子束团通过称为磁振荡器的磁结构，被迫沿曲线路径高速运动并向前方辐射高度聚束的X射线。在欧洲XFEL，电子束团以最高每秒27000个的频率通过磁振荡器，从而产生同频率的X射线闪光。

团队介绍，尽管现有X射线闪光的质量已很高，但其能量仍存在一定“模糊性”。新验证的XFELO系统显著降低了这种不确定性，使输出X射线光的能量定义更为精确，尤其适用于对谱线要求严格的精密实验。

在XFELO方案中，X射线光在谐振腔回路内多次反射。该腔体由两组钻石晶体镜以及其间的一排磁振荡器构成。每次往返循环，腔内的X射线光都会与来自电子加速器的“新鲜”电子束团相互作用，从而在循环过程中持续增强并被进一步聚焦。欧洲XFEL仪器部门负责人、X射线光学专家Harald Sinn表示，这种机制使得光在每次循环中得到强化。

“刀锋般”的单一峰值：噪声降低、频率更清晰

德国电子同步加速器研究中心（DESY）加速器科学家Patrick Rauer表示，随着X射线脉冲在腔内往返，脉冲中的噪声逐步减少，聚焦后的光变得更明确、更稳定，并开始呈现出单一、清晰的频率峰值。团队称，这一峰值对应于能量定义极其锐利的单一X射线脉冲。

欧洲XFEL采用谐振腔的设想最初由时任汉堡大学物理学教授Jörg Rossbach提出。此后数十年间，该思路被持续研究与建模，直至Rauer与DESY加速器部门的科学家，以及欧洲XFEL Sinn团队的科学家和工程师共同形成具体的谐振腔设计方案。团队还提到，在一次欧洲XFEL的束流时间中，现为荣誉教授的Rossbach首次在数据中识别到上述峰值信号。

66米谐振腔与飞秒级同步：稳定性成为关键

据介绍，欧洲XFEL的谐振腔结构长度约66米。高质量钻石晶体以特定方式反射X射线，使其在腔内反复通过；光学镜则用于进一步聚焦与稳定光束。项目面临的关键挑战包括晶体的精确定位，以及X射线脉冲与电子束团运动的同步。

团队强调，长达1.7公里的加速器需要在能量、时间与位置上保持多日稳定，其中时间同步精度达到飞秒级、位置稳定精度达到微米级。Rauer表示，将加速器调试到这一状态耗时数年，并称这在高重复率加速器领域具有独特性。

Sinn表示，此次成功演示表明谐振腔原理具备实际可行性，与此前方法相比可提供波长更窄、稳定性与相干性更高的X射线脉冲。欧洲XFEL执行董事Thomas Feurer称，这将为物理学、材料科学、化学与生物学等领域的精密实验带来新的机会，使研究人员能够探测此前几乎无法测量的结构与过程。

团队表示，未来几年将继续提升X射线光强度、验证更长时间运行的稳定性，并为更广泛的科研用户群体推进技术准备。DESY加速器部门主任Wim Leemans表示，该联合团队实现了长期以来提升欧洲XFEL相干硬X射线脉冲“激光特性”的可能性，用户将从中受益。