即将建成的太瓦级X射线自由电子激光装置，能够生成具有可变偏振特性的高强度光子脉冲，有望为众多科学研究领域带来新的突破。

X射线自由电子激光（XFEL）作为当今最前沿的大科学装置，能够以“分子电影”般的时空分辨率，捕捉并记录原子尺度的超快动态过程。其工作原理如下：首先将电子加速至接近光速的相对论速度，随后引导它们进入由周期性排列的强磁体构成的波荡器中。在波荡器内，电子束会发生横向振荡，从而释放出超短且强度极高的X射线脉冲。

凭借其卓越的性能，X射线自由电子激光已成为驱动诸多前沿领域突破的关键工具。例如，科学家利用其探索下一代电子器件的核心材料，实时追踪化学反应的动态过程，以及解析复杂蛋白质的精细结构——而它的应用场景远不止于此。近年来，研究人员开始把目光投向更高功率的 XFEL 装置，致力于开发峰值功率达到太瓦（TW）级别的系统。这类更强大的光源，有望将一系列此前仅存在于理论中的实验构想变为现实。

在此背景下，一项发表于2026年1月22日的最新研究，系统探讨了太瓦级XFEL 在生成可变偏振态X射线脉冲方面的关键能力。该研究刊载于2026 年2月第62卷第1期的IEEE Journal of Quantum Electronics。

为攻克该技术难题，研究人员针对由美国阿贡国家实验室正在开发的、配备超导APPLE-II（SCAPE）波荡器的太瓦级XFEL装置开展了系统性的模拟研究。这类波荡器有望通过简便调节，实现任意偏振态的输出，从而使太瓦级XFEL具备更灵活、更精准的偏振控制能力。

模拟结果表明，太瓦级XFEL能够在从线偏振到圆偏振的整个范围内保持较高输出功率。当偏振椭圆率为0.5时，输出脉冲功率达到峰值1.0太瓦。注：椭圆率用于表示偏振状态，取值范围为0.0（线偏振）至1.0（圆偏振）。

研究采用的电子束参数实现了 1.3 GA/cm²的电流密度，这一数值处于太瓦级XFEL运行所考虑范围的较低区间。这意味着，在更高电流密度条件下，有望在整个波荡器偏振范围内实现太瓦级脉冲输出。此外，研究人员还探讨了波荡器偏振对太瓦级XFEL谐波产生性能的影响，并获得了若干重要发现。

Freund博士总结道：“我们的研究表明，太瓦级XFEL有望产生兼具高强度和可调椭圆偏振特性的光子束。”

原文标题：太瓦级X射线自由电子激光中可变偏振态的产生机制
期刊：IEEE Journal of Quantum Electronics
数字对象唯一标识符：10.1109/JQE.2026.3655616

新闻稿来源：IEEE Photonics Society
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