通過新的應(yīng)用與傳統(tǒng)激光器市場的占有率對比，光纖激光器的市場進一步提升是有可能的。研究人員也正在使超快光纖激光技術(shù)應(yīng)用在多用戶應(yīng)用上，如斯坦福SLAC 國家加速器實驗室(National Accelerator Laboratory in Stanford)和勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）(Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley)，他們都在加利福尼亞州。同步加速器和自由電子激光器（FELs）的發(fā)展，給研究者提供了通往更亮、更短的X 射線源。多年來，斯坦福同步輻射光源（SSRL）提供X 射線脈沖，研究材料的分子和晶體結(jié)構(gòu)。最近，一個“低-α 模式”的研發(fā)，X 射線脈沖可達到1 ps。

同時，在斯坦福直線加速器中心（SLAC）的直線加速器相干光源(LCLS)提供亞百飛秒脈沖，在波長短至0.15nm 時大約1012 個X 射線光子。這些超快穩(wěn)固的X 射線脈沖，同時具有高的空間和時間的連貫性，使新的科學(xué)領(lǐng)域的研究從3-D 成像和重要的生物分子動力學(xué)研究到表征物質(zhì)的瞬時狀態(tài)研究。

 在同步加速器和自由電子激光器（FELs）里，能量是通過電子束在一變化的磁場中傳遞得到的。電子行進路線受變換極性的磁體陣列影響，來回彎曲，導(dǎo)致以光的形式釋放能量。就同步加速器而言，激光是空間不連續(xù)的，典型脈沖是100fs，但是自由電子激光器（FELs）發(fā)射出強烈的空間相干光光束，脈寬短至幾十飛秒。為了工作在穩(wěn)定的X 射線波長，電子束必須緊束，以便他們與釋放出來的光相互相干（有效地實現(xiàn)受激輻射）。

因為自由電子激光器FEL 沒有諧振腔并且是一個單通的設(shè)備，需要一束非常明亮的激光束來達到增益飽和狀態(tài)。有時這是通過使用傳統(tǒng)的超快激光源（如的Nd：YLF 或摻鈦藍寶石），激發(fā)在加速的射頻區(qū)域中的光電陰極，充當電子注射器來實現(xiàn)的。通過超快激光鎖定到主時鐘得到同步信號。主時鐘正在控制直線性加速器。

圖1. 同步器原理圖/結(jié)構(gòu)簡圖

另外，世界各地的一些同步加速器，使用傳統(tǒng)的超快光源，時間分辨束線（time-resolved beamlines）已經(jīng)被開發(fā)，實現(xiàn)泵浦探測-研究。然而，對于這每一個結(jié)構(gòu)，一個重大的缺陷是：傳統(tǒng)的固態(tài)超快放大器通常消耗巨大的光學(xué)平臺，并需要日常維護保證它最佳的性能。

斯坦福大學(xué)教授亞倫林登貝格（Aaron Lindenberg）在斯坦福同步輻射實驗室使用Calmar公司Cazadero 系列的一鍵式超快光纖激光器克服了這個問題。設(shè)計應(yīng)用在OEM 醫(yī)療和微電子加工，激光器結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，設(shè)置簡單，方便安裝，便于調(diào)整光束。此外，它的高脈沖能量（高達20uJ <500fs）和高重頻發(fā)揮了斯坦福同步輻射實驗室的優(yōu)勢。實現(xiàn)了一個良好的信噪比（time-resolved）的時間分辨的研究。

圖2. 互相關(guān)cross-correlation 信號同步發(fā)生器脈沖寬度

在林登貝格的初步實驗中，工作頻率在1.28MHz 的超快光纖激光器，已經(jīng)成功被鎖相到同步加速器476MHz 射頻信號上（如圖1），定時抖動時間小于1ps，而且直接被用于測量X射線脈寬。圖2 顯示在脈沖X 射線模式下同步脈沖的直接測量結(jié)果。實驗是由激光器鎖相的1030nm 輸出光通過自相關(guān)產(chǎn)生的500nm 可見光進入硼酸鋇晶體，檢測的混頻信號在340nm。記錄的最短的脈沖寬度~3ps。

光學(xué)的同步性和X 射線脈沖保證一項特殊的泵浦探測實驗（如圖3）。光纖激光系統(tǒng)輸出的高能量脈沖泵浦或者激發(fā)，誘導(dǎo)出一種物理或光化學(xué)轉(zhuǎn)化。這樣的變化接著在原子量級被同步加速器的X 射線脈沖探測到。通過不同脈沖探測的到達時間，這個動態(tài)過程可以作為發(fā)生在原子量級結(jié)構(gòu)變化X 射線影像。該方法正被用于對納米系統(tǒng)激發(fā)態(tài)動力學(xué)獲得一個更好的理解中，也是從他們相應(yīng)的散裝結(jié)構(gòu)中區(qū)分出來的方法。

 圖3. X 射線測角器，在中心，一個樣品同時被X 射線和CAZADERO 激光系統(tǒng)二次倍頻光（515nm）照亮。

在最近的研究中，林登貝格研究小組使用這個激光光源于納米晶體硒化銀系統(tǒng)，成功通過X 射線捕獲到發(fā)生在在超快時間內(nèi)的結(jié)構(gòu)變化。雖然這些初步的研究是非常令人鼓舞，為了進一步提高信噪比的水平，提高探測器和樣品輸送系統(tǒng)現(xiàn)在正在開發(fā)當中。未來的研究將有望深入到發(fā)展獨特的催化劑和更高效的光伏材料。

在勞倫斯伯克利國家實驗室，Cazadero 也被選為保證名為“下一代光源的”的光源的發(fā)展。在這種情況下，激光器再一次相位鎖定，但是用來照射陰極產(chǎn)生電子束，被加速到高能量射頻腔。這個系統(tǒng)已經(jīng)作為下一代光源的電子注射器正在被開發(fā)。

下一代光源是一個自由電子激光器，產(chǎn)生X 射線到千電子伏特能量級，而且是唯一的工作在兆赫茲重復(fù)頻率。隨陰極材料的選擇，激光器將工作在基本波長1030nm，二次諧波515nm，或者四次諧波257.5nm。“選擇陰極激光系統(tǒng)對于用于支持用戶設(shè)備的機器的設(shè)計是至關(guān)重要的” 勞倫斯伯克利先進光源實驗組系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)Howard Padmore 說，“我們不能容忍任何人干預(yù)對每日的基礎(chǔ)，Cazadero 是一個提供可重復(fù)的，操作穩(wěn)定的，一個簡單的打開/關(guān)閉開關(guān)的獨特的系統(tǒng)。另外，它對不同類型的陰極以及頻率鎖定，提供了所有關(guān)鍵技術(shù)指標如平均功率，重復(fù)頻率和脈沖寬度。”

下一代光源的高重復(fù)頻率，高亮度的X 射線源，確保動力學(xué)的影視成像，多種多樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的測定，和開發(fā)新型非線性X 射線光譜。