XFEL是直线加速器中的电子束加速至接近光速，成为相对论电子，在波荡器作用下产生正弦运动路径，在运动轨迹切线方向产生同步辐射光，同步辐射光与电子束运动周期相同，于是得到相干叠加的光场，这种相对论电子束的能量被转换为相干辐射的激光输出，是一种“自放大自激发”（self-amplified spontaneous emission, SASE）方式，不同于传统的激光中束缚电子的能级跃迁。产生的x射线具有超高亮度，全相干，飞秒脉冲等特性。理论上可用来进行原子级分辨率的成像，时间分辨研究（time-resolved）,pump-probe研究等。
XFEL的特点用以下三张图片直观的表示：
Figure 1 XFEL的产生机理示意图
Reference:
Tetsuya Ishikawa,et al. Nat Photonics, 6 540 (2012) ；
2. P. Emma , R. Akre, et al. Nat Photonics, 4 641 (2010).
Figure 2 X射线光源强度的变迁史
第一代同步辐射光源实例：兼用的北京正负电子对撞机 （中科院北京高能所）；
第二代同步辐射光源实例：同步辐射国家实验室（中科大）；
第三代同步辐射光源实例：上海同步辐射光源（中科院上海应物所，注：2017年09月26日起，法人单位为中国科学院上海高等研究院运营的张江实验室）
第三代半同步辐射光源实例：已经立项，即将破土动工的北京高能光源（准衍射极限环，低发散度，法人单位高能所？北京综合研究中心？）
Figure 3 XFEL在热点研究问题中的研究潜力（时间尺度与空间尺度）
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