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日前，由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和上海應(yīng)用物理研究所聯(lián)合研制的極紫外自由電子激光裝置——“大連光源”，發(fā)出了世界上最強(qiáng)的極紫外自由電子激光脈沖，單個皮秒（1皮秒等于一萬億分之一秒）激光脈沖產(chǎn)生140萬億個光子，這套總長100米的裝置成為世界上最亮且波長完全可調(diào)的極紫外自由電子激光光源。
自由電子激光是國際上最新一代先進(jìn)光源，也是當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展的重要方向，在科學(xué)研究、國防科技發(fā)展中有著重要的應(yīng)用前景。
“大連光源”是我國第一臺大型自由電子激光科學(xué)研究用戶裝置，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。它也是繼“合肥光源”和“上海光源”之后，我國在該領(lǐng)域的又一次重要探索。極紫外光是什么，這套先進(jìn)的大科學(xué)裝置基本原理又是什么，將有哪些應(yīng)用？
光源亮、脈沖短，微觀世界看得更清楚
人類已經(jīng)知道，很多物理和化學(xué)過程在本質(zhì)上都是原子和分子運(yùn)動的過程。要控制或利用這些過程，需要研究其中涉及的原子和分子的反應(yīng)機(jī)制，也就需要精確且高度靈敏地探測所涉及的原子和分子。
自19世紀(jì)以來，電和電磁波就成為人類認(rèn)識和感知物質(zhì)世界的最重要的媒介和手段，比如通過麥克風(fēng)把聲音轉(zhuǎn)換成電信號，再進(jìn)行處理和傳輸。人類研究原子和分子的反應(yīng)機(jī)制，最直接的方法也是將其變成易于識別和處理的電信號。其過程是把原子或分子中的電子“打”（電離）出來，可以得到原子分子以及物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和動態(tài)信息，進(jìn)而在微觀層次上探索物質(zhì)世界的奧秘。
近代物理已經(jīng)證明，光具有波粒二象性，既是電磁波，同時也是粒子。光子本身帶有能量，波長越短，光子的能量就越高。而當(dāng)光的波長短到約100納米時，一個光子所具備的能量就足以電離一個原子或分子而又不會把它們打碎，這個波段的光稱為極紫外光。但是由于在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要探測的原子或分子數(shù)量可能非常少，存在時間也非常短，普通的極紫外光源無法滿足這一需求，因此必須要有高亮度的極紫外光源，即極紫外激光。“光源亮，微觀世界可以看得更清楚；脈沖短，我們可以看到分子和原子在物理和化學(xué)變化中超快的過程。”中科院大連化學(xué)物理研究所副所長楊學(xué)明院士說。
最亮的“閃光燈”、最快的“快門”，能讓分子、原子“無處遁形”
極紫外激光能電離幾乎所有組成普通物質(zhì)的原子和分子，因此，極紫外激光也無法在普通物質(zhì)中產(chǎn)生和放大，只能在“特殊物質(zhì)”中產(chǎn)生，這個“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。
根據(jù)電動力學(xué)原理，加速運(yùn)動的電子會向外輻射電磁波，振蕩的電子輻射電磁波能力非常強(qiáng)。常用的無線信號，無論是電視還是手機(jī)，都是通過驅(qū)使電子在天線里來回振蕩發(fā)射電磁波。
“大連光源”由加速器、波蕩器和光束線站三部分構(gòu)成。先由時間寬度為幾個皮秒的脈沖激光（驅(qū)動激光）在光陰極上打出一簇高密度的脈沖電子，再利用直線加速器將這個脈沖電子束加速到3億電子伏特的能量，電子的速度與光速非常接近。另一束皮秒或者相近時間寬度的強(qiáng)激光（種子激光）照射在這個高能電子束上，電子束中的電子在種子激光的作用下，就會按照激光的波長在空間重新分布（調(diào)制），然后讓被調(diào)制的電子束繼續(xù)穿越一系列周期性變化的磁場。電子在周期性磁場中就會一邊以光速向前飛行，一邊左右擺動，向前輻射出光線。途中各處發(fā)射的光會疊加增強(qiáng)，同時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，適當(dāng)?shù)剡x擇周期性磁場的強(qiáng)度，就會使得種子激光中的某個諧波成分按照前述方式急劇地自激放大并達(dá)到飽和，從而輸出極紫外激光。
“‘大連光源’有最亮的‘閃光燈’，峰值功率的亮度比太陽光高100億倍的100億倍，有最快的‘快門’，出光長度能達(dá)到飛秒（1飛秒等于一千億分之一秒）、皮秒，不但能讓分子、原子‘無處遁形’，還能給它們‘拍電影’，將物理化學(xué)反應(yīng)的全過程動態(tài)記錄下來。”上海應(yīng)用物理研究所所長趙振堂用一連串的比喻來說明“大連光源”的大用場。
應(yīng)用廣泛，有助于理解霧霾形成的機(jī)理
“大連光源”采取了一系列先進(jìn)技術(shù)，包括引入雙饋入電子直線加速管、楔形波蕩器技術(shù)等，自行設(shè)計(jì)和搭建的驅(qū)動激光的整形系統(tǒng)及其穩(wěn)定性達(dá)到了國際先進(jìn)水平。項(xiàng)目在兩年的時間里完成了基建工程以及主體光源裝置的研制，3個月內(nèi)調(diào)試成功，創(chuàng)造了我國同類大型科學(xué)裝置建設(shè)的新紀(jì)錄。中國科學(xué)院副院長王恩哥院士認(rèn)為，“‘大連光源’建成出光，成為我國大科學(xué)工程的又一成功范例，將為我國的科技事業(yè)注入新的活力。”
“作為一套真正的用戶裝置，‘大連光源’將成為一個面向全世界的研究平臺。”楊學(xué)明表示。建成以后，“大連光源”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，因此是研究與原子分子過程相關(guān)的物理和化學(xué)科學(xué)問題的利器。“大連光源”綜合實(shí)驗(yàn)裝置還以極紫外相干光源為依托，配套研制了一系列具有國際先進(jìn)水平的，用于研究與燃燒、大氣以及潔凈能源相關(guān)的物理化學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)站，使得該裝置成為相關(guān)研究領(lǐng)域的在國際上不可替代的研究平臺。
據(jù)了解，“大連光源”在燃燒化學(xué)、極紫外光光刻、生物分子結(jié)構(gòu)及動力學(xué)、大氣霧霾化學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。“以大氣霧霾為例，大氣中的化學(xué)物質(zhì)與水分子作用后，形成分子團(tuán)簇，這些團(tuán)簇在生長過程中吸附各種污染物分子，生長為較大的氣溶膠顆粒，并逐漸成長為霧霾。利用‘大連光源’的極紫外軟電離技術(shù)，就可以研究霧霾的生長過程，從根本上理解霧霾形成的機(jī)理，為大氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)。”大連化學(xué)物理研究所研究員張未卿表示。
