我曾在粒子加速器的超导射频腔体上工作，并强烈考虑过研究被称为“相干光源”的研究生课程，也就是X射线激光。 它们的工作原理是这样的，它们是芯片生产的未来。太酷了。

首先，为什么选择X射线激光？你可以用光看到的物体大小，或者用光制作的图案（如在芯片光刻中）取决于波长。 这被称为衍射极限，限制了显微镜和望远镜等设备的分辨率。

但是，显微镜和望远镜观察的是不相干光，这意味着不同相位的波长都是混在一起的。 如果你将波的峰值对齐，就会得到相干光，这让你能够看到比所用波长更小的东西。

当两束相干光相互干涉时，波峰位置的微小差异会产生一个干涉图样，其间距小于波长本身。 一个机械类比是使用游标卡尺来测量远小于刻度的距离。

当前的EUV芯片光刻使用波长约为1e-6m的CO2激光，激光照射到锡滴上。锡被加热形成等离子体，数以吨计的电子被推向激发态。 当它们回落时，会释放出与能量差成正比的光。

锡是这种情况的“理想材料”，因为在 13.5 纳米波长附近有高密度的电子态聚集。 “真正的”激光通常只激发一个目标态，以获得窄的“线宽”或单一波长，但通过碰撞等因素，这个线宽可能会变宽。

芯片上最小的特征尺寸受到这些因素的限制——光的波长、发射光谱的窄或宽等。 那么，为什么我们不去寻找更高能量的原子跃迁，以获得更小的波长，并制造一个X射线激光器呢？

问题在于，与跃迁相关的能量取决于电子与原子核的结合紧密程度，因此高能跃迁意味着原子核中有大量质子，而电子则"深"藏在轨道堆中。 这很难通过光学泵浦来实现，并维持稳定的人口反转。这意味着需要剥离大量的电子云以"深入挖掘"，这基本上意味着形成等离子体。 这正是激光锡液滴烧蚀所做的——形成短暂的等离子体以访问深层电子跃迁，从而获得高能光。

那么我们如何制造X射线激光？我们说 - 完全忘记电子跃迁。 我们将直接使用电子，加速它们在粒子束中，然后用磁场猛烈摇动它们。 这就是事情变得有趣的地方。

加速电子束意味着产生极高强度的电场，以赋予它们大量能量。 如果是恒定电场，最终会导致电放电、粒子发射——它会随着时间的推移而破裂。 如果是交变电场，时间平均电场为零。但是，交变电场会产生变化的磁场，从而诱导瞬态电流。

瞬态电流通常会在周围导体表面损失大量能量，这就是现代粒子加速器腔体采用一种称为铌的超导材料的原因。 超导射频腔体是一项极为成熟的技术——在CERN等地方。

一个问题是，由于电场是交流的，半数时间它指向相反的方向。 因此，你将粒子聚集在一起，使它们“错过”减速场，只看到加速场。

一个有趣的旁注是，电子的质量仅为511 keV/c^2，这意味着如果你用1兆伏的电场加速它，那么它的总能量一半是动能，另一半是质量（E=mc^2）。 这意味着它已经达到了光速的94%。这很重要...

因为这意味着你可以将长段的SRF腔体叠加在一起，并且它们可以同步工作。SRF腔体可以达到30兆伏/米，而X射线设施则将它们排成一英里 斯坦福的LCLS-2的电子能量为4 GeV

在这些相对论速度下，你可以将粒子束的能量提高1000倍，而其实际速度仅变化超过1%——是的，相对论很奇怪。 这很重要的原因在于，当电子在磁铁之间摇摆时，X射线是如何产生的。

当你将电子通过磁场时，它会感受到洛伦兹力并改变方向——这种加速度使它发出一些光子。 在“自由电子激光器”中，你将电子通过一系列交替的磁铁，使它们摇摆出光子。

由于电子的速度接近光速（~1c），它们以与发射的光子相同的速度运动。 这些光子的电场与电子相互作用，使电子束的间距从毫米缩小到纳米。

这就是自由电子激光如何实现“自我放大”的方式——当电子束中的光子场使电子聚集得更紧密时，发射的新光子会越来越靠近叠加在一起。

在FEL结束时，您将电子束偏转开来，留下一个高功率、极小波长的激光，可以成像单个原子/分子。 或者，制造历史上最小的芯片特征！

附注：一种与长达一英里 SRF 腔体束流线竞争的新方法是使用等离子体作为加速介质，这可以实现比 SRF 腔体高出 1000 倍的电场（SRF 腔体受到击穿和其他效应的限制）。 缺点是电子束亮度较低，但您可以将多个波场等离子体加速器“堆叠”在一起，以便将越来越多的电子束注入到您的波动器中。