由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所本站和上海應(yīng)用物理研究所本站聯(lián)合研制的極紫外自由電子激光裝置——“大連光源”，于1月15日終于發(fā)出了世界上最強(qiáng)的極紫外自由電子激光脈沖。單個(gè)皮秒激光脈沖產(chǎn)生140萬(wàn)億個(gè)光子本站，成為世界上最亮且波長(zhǎng)完全可調(diào)的極紫外自由電子激光光源。中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)、院士王恩哥，大連市副市長(zhǎng)劉巖等出席。

第三代光源給分子“拍照”，大連光源可“攝像”

自由電子激光是國(guó)際上最先進(jìn)的新一代先進(jìn)光源，在科學(xué)研究、先進(jìn)技術(shù)、國(guó)防科技發(fā)展中有著重要的應(yīng)用前景。

近十年來(lái)，自由電子激光技術(shù)的發(fā)展和突破為探索未知物質(zhì)世界、發(fā)現(xiàn)新科學(xué)規(guī)律、實(shí)現(xiàn)技術(shù)變革提供了前所未有的研究工具。

已經(jīng)建成的大連光源，總長(zhǎng)100米，是我國(guó)第一臺(tái)大型自由電子激光科學(xué)研究用戶(hù)裝置，是當(dāng)今世界上唯一運(yùn)行在極紫外波段的自由電子激光裝置，也是世界上最亮的極紫外光源。

光源的每一個(gè)激光脈沖可產(chǎn)生超過(guò)100萬(wàn)億個(gè)光子，波長(zhǎng)可在極紫外區(qū)域完全連續(xù)可調(diào)，具有完全的相干性；該激光可以工作在飛秒或皮秒脈沖模式，可以用SASE或HGHG模式運(yùn)行。

大連光源。 通訊員胡蔚成拍攝

化物所相關(guān)負(fù)責(zé)人告訴記者，大連光源主要對(duì)分子、原子進(jìn)行研究。此前的第三代光源可以給分子拍照，而大連光源屬于第四代光源，可以給分子攝像。

舉例來(lái)說(shuō)，以前人們討論馬在奔跑時(shí)有沒(méi)有四腳全部騰空的時(shí)候，因?yàn)轳R速度快，人眼看不到，可是當(dāng)有了攝像機(jī)之后就解決了這個(gè)問(wèn)題。

大連光源可解析霧霾形成的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)

這一先進(jìn)光源在化學(xué)、能源、物理、生物、環(huán)境等重要研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，許多人不知道到底是如何應(yīng)用。化物所相關(guān)人員解釋說(shuō)，比如在燃燒化學(xué)方面，世界上90%以上能源來(lái)自于燃燒，大連光源可以探測(cè)這些燃燒中間反應(yīng)步驟和中間體，為闡明燃燒過(guò)程中的化學(xué)機(jī)理提供基礎(chǔ)；再比如霧霾，大氣環(huán)境污染給人類(lèi)帶來(lái)嚴(yán)重危害，從根本上理解大氣霧霾的形成和生長(zhǎng)機(jī)理對(duì)污染防治非常重要。通過(guò)大連光源，可以解析大氣化學(xué)中性團(tuán)簇的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

據(jù)悉，我國(guó)率先建成這一先進(jìn)光源對(duì)于推動(dòng)我國(guó)乃至世界在這些研究領(lǐng)域的研究發(fā)展有著極其重要的意義。同時(shí)，這一光源的成功研制為我國(guó)未來(lái)發(fā)展X波段的自由電子激光打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

大連光源示意圖。本報(bào)記者盧真珍拍攝

大連光源項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委國(guó)家重大儀器專(zhuān)項(xiàng)的資助，由大連化物所和上海應(yīng)物所聯(lián)合研制，項(xiàng)目于2012年初正式啟動(dòng)，2014年10月正式開(kāi)工建設(shè)。在兩年的時(shí)間里完成了基建工程以及主體光源裝置的研制，并且在很短的時(shí)間內(nèi)調(diào)試成功產(chǎn)生了世界上單脈沖最亮的極紫外激光，創(chuàng)造了我國(guó)同類(lèi)大型科學(xué)裝置建設(shè)的新記錄。

這一項(xiàng)目也開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)科學(xué)研究專(zhuān)家與大科學(xué)裝置研制專(zhuān)家成功合作的先例，對(duì)于未來(lái)加快推動(dòng)大科學(xué)裝置在科學(xué)研究中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。大連化物所以及上海應(yīng)物所的項(xiàng)目專(zhuān)家將進(jìn)一步努力將大連光源建設(shè)成為高水平的實(shí)驗(yàn)研究用戶(hù)裝置，為我國(guó)乃至世界提供一個(gè)獨(dú)特的科學(xué)研究裝置。

什么是極紫外光？

近代物理證明，光的本質(zhì)是電磁波，同時(shí)也是粒子，光子本身帶有能量，波長(zhǎng)越短，光子的能量就越高。

可見(jiàn)光的波長(zhǎng)大致處于400~700納米之間本站，其光子能量可以刺激人的視覺(jué)細(xì)胞產(chǎn)生信號(hào)，而波長(zhǎng)小于可見(jiàn)光的紫外光因?yàn)楣庾幽芰扛?，就?huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，比如UVA本站和UVB本站紫外光。

而當(dāng)波長(zhǎng)短到100納米附近時(shí)，一個(gè)光子所具備的能量就足以電離一個(gè)原子或分子而又不會(huì)把分子打碎，這個(gè)波段的光稱(chēng)為極紫外光。

由于在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要探測(cè)的原子或分子數(shù)量可能非常少，存在時(shí)間也非常短，普通的極紫外光源無(wú)法滿(mǎn)足這個(gè)需求，必須要有高亮度的極紫外光源，即極紫外激光。

極紫外光能夠電離幾乎所有的組成普通物質(zhì)的原子和分子的特性使得它無(wú)法在普通物質(zhì)本站中傳播，只能在真空中傳播，所以極紫外光也稱(chēng)為真空紫外光。

因此，極紫外激光無(wú)法在普通物質(zhì)中產(chǎn)生和放大，只能在“特殊物質(zhì)”中產(chǎn)生，這個(gè)“特殊物質(zhì)”就是脫離原子核而單獨(dú)存在的自由狀態(tài)的電子。

據(jù)介紹，大連光源是當(dāng)今世界上唯一工作在極紫外波段的自由電子激光用戶(hù)裝置，大連光源也將成為當(dāng)今世界上在極紫外波段最強(qiáng)的自由電子激光。

如何輸出極紫外光？

根據(jù)電動(dòng)力學(xué)原理，加速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)向外輻射電磁波，尤其是來(lái)回變向跑動(dòng)本站的電子輻射電磁波能力非常強(qiáng)。

常用的無(wú)線信號(hào)，無(wú)論是電視還是手機(jī)，都是通過(guò)驅(qū)使電子在天線里來(lái)回振蕩發(fā)射電磁波。

在大連極紫外相干光源中，時(shí)間寬度為幾個(gè)皮秒本站的脈沖激光本站在光陰極上打出一簇高密度的脈沖電子，利用直線加速器將這個(gè)脈沖電子束加速到3億電子伏特的能量本站。

這時(shí)，由于相對(duì)論效應(yīng)，電子的速度與光速非常接近。再用另一束皮秒或者亞皮秒時(shí)間寬度的強(qiáng)激光本站照射在這個(gè)高能電子束上，電子束中的電子在種子激光的電磁場(chǎng)的作用下，就會(huì)按照激光的波長(zhǎng)在空間重新分布本站，其中含有豐富的諧波成分。

然后讓空間分布被調(diào)制的電子束繼續(xù)穿越一系列周期性變化的磁場(chǎng)本站。

根據(jù)電磁學(xué)原理，電子在周期性磁場(chǎng)中會(huì)一邊以光速向前飛行，一邊左右擺動(dòng)，這樣電子就會(huì)向前輻射出光線。

由于電子飛行的速度和光速非常接近，電子在飛行途中各處發(fā)射的光會(huì)疊加增強(qiáng)，同時(shí)電子自身輻射的光也在調(diào)制電子自己的空間分布，從而使得電子更加強(qiáng)烈地輻射光線。

如果適當(dāng)?shù)剡x擇周期性磁場(chǎng)的強(qiáng)度，就會(huì)使得種子激光中的某個(gè)諧波成分按照前述方式急劇地自激放大并達(dá)到飽和，從而輸出極紫外光。

記者 | 盧真珍