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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)出了世界上最強的極紫外自由電子激光脈沖，單個(gè)皮秒（1皮秒等于一萬(wàn)億分之一秒）激光脈沖產(chǎn)生140萬(wàn)億個(gè)光子，這套總長(cháng)100米的裝置成為世界上最亮且波長(cháng)完全可調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，也是當今世界發(fā)達國家競相發(fā)展的重要方向，在科學(xué)研究、國防科技發(fā)展中有著(zhù)重要的應用前景。
“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(hù)裝置，是當今世界上唯一運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，將有哪些應用？
光源亮、脈沖短，微觀(guān)世界看得更清楚
人類(lèi)已經(jīng)知道，很多物理和化學(xué)過(guò)程在本質(zhì)上都是原子和分子運動(dòng)的過(guò)程。要控制或利用這些過(guò)程，需要研究其中涉及的原子和分子的反應機制，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世紀以來(lái)，電和電磁波就成為人類(lèi)認識和感知物質(zhì)世界的最重要的媒介和手段，比如通過(guò)麥克風(fēng)把聲音轉換成電信號，再進(jìn)行處理和傳輸。人類(lèi)研究原子和分子的反應機制，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(guò)程是把原子或分子中的電子“打”（電離）出來(lái)，可以得到原子分子以及物質(zhì)的結構和動(dòng)態(tài)信息，進(jìn)而在微觀(guān)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(shí)也是粒子。光子本身帶有能量，波長(cháng)越短，光子的能量就越高。而當光的波長(cháng)短到約100納米時(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 )把它們打碎，這個(gè)波段的光稱(chēng)為極紫外光。但是由于在科學(xué)實(shí)驗中，需要探測的原子或分子數量可能非常少，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(guān)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(guò)程。”中科院大連化學(xué)物理研究所副所長(cháng)楊學(xué)明院士說(shuō)。
最亮的“閃光燈”、最快的“快門(mén)”，能讓分子、原子“無(wú)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(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存在的自由狀態(tài)的電子。
根據電動(dòng)力學(xué)原理，加速運動(dòng)的電子會(huì )向外輻射電磁波，振蕩的電子輻射電磁波能力非常強。常用的無(wú)線(xiàn)信號，無(wú)論是電視還是手機，都是通過(guò)驅使電子在天線(xiàn)里來(lái)回振蕩發(fā)射電磁波。
“大連光源”由加速器、波蕩器和光束線(xiàn)站三部分構成。先由時(shí)間寬度為幾個(gè)皮秒的脈沖激光（驅動(dòng)激光）在光陰極上打出一簇高密度的脈沖電子，再利用直線(xiàn)加速器將這個(gè)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(shí)間寬度的強激光（種子激光）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作用下，就會(huì )按照激光的波長(cháng)在空間重新分布（調制），然后讓被調制的電子束繼續穿越一系列周期性變化的磁場(chǎng)。電子在周期性磁場(chǎng)中就會(huì )一邊以光速向前飛行，一邊左右擺動(dòng)，向前輻射出光線(xiàn)。途中各處發(fā)射的光會(huì )疊加增強，同時(shí)電子自身輻射的光也在調制電子自己的空間分布，從而使得電子更加強烈地輻射光線(xiàn)，適當地選擇周期性磁場(chǎng)的強度，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(yáng)光高100億倍的100億倍，有最快的‘快門(mén)’，出光長(cháng)度能達到飛秒（1飛秒等于一千億分之一秒）、皮秒，不但能讓分子、原子‘無(wú)處遁形’，還能給它們‘拍電影’，將物理化學(xué)反應的全過(guò)程動(dòng)態(tài)記錄下來(lái)。”上海應用物理研究所所長(cháng)趙振堂用一連串的比喻來(lái)說(shuō)明“大連光源”的大用場(chǎng)。
應用廣泛，有助于理解霧霾形成的機理
“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(xiàn)加速管、楔形波蕩器技術(shù)等，自行設計和搭建的驅動(dòng)激光的整形系統及其穩定性達到了國際先進(jìn)水平。項目在兩年的時(shí)間里完成了基建工程以及主體光源裝置的研制，3個(gè)月內調試成功，創(chuàng )造了我國同類(lèi)大型科學(xué)裝置建設的新紀錄。中國科學(xué)院副院長(cháng)王恩哥院士認為，“‘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(hù)裝置，‘大連光源’將成為一個(gè)面向全世界的研究平臺。”楊學(xué)明表示。建成以后，“大連光源”將成為當今世界上在極紫外波段最強的自由電子激光，因此是研究與原子分子過(guò)程相關(guān)的物理和化學(xué)科學(xué)問(wèn)題的利器。“大連光源”綜合實(shí)驗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(guò)程的實(shí)驗站，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。
據了解，“大連光源”在燃燒化學(xué)、極紫外光光刻、生物分子結構及動(dòng)力學(xué)、大氣霧霾化學(xué)等領(lǐng)域應用廣泛。“以大氣霧霾為例，大氣中的化學(xué)物質(zhì)與水分子作用后，形成分子團簇，這些團簇在生長(cháng)過(guò)程中吸附各種污染物分子，生長(cháng)為較大的氣溶膠顆粒，并逐漸成長(cháng)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(cháng)過(guò)程，從根本上理解霧霾形成的機理，為大氣污染防治提供科學(xué)依據。”大連化學(xué)物理研究所研究員張未卿表示。
