大连光源，能给原子拍视频

谷业凯 戴东旭

2017年01月17日  来源：人民网-人民日报

　　日前，由中国科学院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所联合研制的极紫外自由电子激光装置——“大连光源”，发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲，单个皮秒（1皮秒等于一万亿分之一秒）激光脉冲产生140万亿个光子，这套总长100米的装置成为世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。

　　自由电子激光是国际上最新一代先进光源，也是当今世界发达国家竞相发展的重要方向，在科学研究、国防科技发展中有着重要的应用前景。

　　“大连光源”是我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置，是当今世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置，也是世界上最亮的极紫外光源。它也是继“合肥光源”和“上海光源”之后，我国在该领域的又一次重要探索。极紫外光是什么，这套先进的大科学装置基本原理又是什么，将有哪些应用？

　　光源亮、脉冲短，微观世界看得更清楚

　　人类已经知道，很多物理和化学过程在本质上都是原子和分子运动的过程。要控制或利用这些过程，需要研究其中涉及的原子和分子的反应机制，也就需要精确且高度灵敏地探测所涉及的原子和分子。

　　自19世纪以来，电和电磁波就成为人类认识和感知物质世界的最重要的媒介和手段，比如通过麦克风把声音转换成电信号，再进行处理和传输。人类研究原子和分子的反应机制，最直接的方法也是将其变成易于识别和处理的电信号。其过程是把原子或分子中的电子“打”（电离）出来，可以得到原子分子以及物质的结构和动态信息，进而在微观层次上探索物质世界的奥秘。

　　近代物理已经证明，光具有波粒二象性，既是电磁波，同时也是粒子。光子本身带有能量，波长越短，光子的能量就越高。而当光的波长短到约100纳米时，一个光子所具备的能量就足以电离一个原子或分子而又不会把它们打碎，这个波段的光称为极紫外光。但是由于在科学实验中，需要探测的原子或分子数量可能非常少，存在时间也非常短，普通的极紫外光源无法满足这一需求，因此必须要有高亮度的极紫外光源，即极紫外激光。“光源亮，微观世界可以看得更清楚；脉冲短，我们可以看到分子和原子在物理和化学变化中超快的过程。”中科院大连化学物理研究所副所长杨学明院士说。

　　最亮的“闪光灯”、最快的“快门”，能让分子、原子“无处遁形”

　　极紫外激光能电离几乎所有组成普通物质的原子和分子，因此，极紫外激光也无法在普通物质中产生和放大，只能在“特殊物质”中产生，这个“特殊物质”就是脱离原子核而单独存在的自由状态的电子。

　　根据电动力学原理，加速运动的电子会向外辐射电磁波，振荡的电子辐射电磁波能力非常强。常用的无线信号，无论是电视还是手机，都是通过驱使电子在天线里来回振荡发射电磁波。

　　“大连光源”由加速器、波荡器和光束线站三部分构成。先由时间宽度为几个皮秒的脉冲激光（驱动激光）在光阴极上打出一簇高密度的脉冲电子，再利用直线加速器将这个脉冲电子束加速到3亿电子伏特的能量，电子的速度与光速非常接近。另一束皮秒或者相近时间宽度的强激光（种子激光）照射在这个高能电子束上，电子束中的电子在种子激光的作用下，就会按照激光的波长在空间重新分布（调制），然后让被调制的电子束继续穿越一系列周期性变化的磁场。电子在周期性磁场中就会一边以光速向前飞行，一边左右摆动，向前辐射出光线。途中各处发射的光会叠加增强，同时电子自身辐射的光也在调制电子自己的空间分布，从而使得电子更加强烈地辐射光线，适当地选择周期性磁场的强度，就会使得种子激光中的某个谐波成分按照前述方式急剧地自激放大并达到饱和，从而输出极紫外激光。

　　“‘大连光源’有最亮的‘闪光灯’，峰值功率的亮度比太阳光高100亿倍的100亿倍，有最快的‘快门’，出光长度能达到飞秒（1飞秒等于一千亿分之一秒）、皮秒，不但能让分子、原子‘无处遁形’，还能给它们‘拍电影’，将物理化学反应的全过程动态记录下来。”上海应用物理研究所所长赵振堂用一连串的比喻来说明“大连光源”的大用场。

　　应用广泛，有助于理解雾霾形成的机理

　　“大连光源”采取了一系列先进技术，包括引入双馈入电子直线加速管、楔形波荡器技术等，自行设计和搭建的驱动激光的整形系统及其稳定性达到了国际先进水平。项目在两年的时间里完成了基建工程以及主体光源装置的研制，3个月内调试成功，创造了我国同类大型科学装置建设的新纪录。中国科学院副院长王恩哥院士认为，“‘大连光源’建成出光，成为我国大科学工程的又一成功范例，将为我国的科技事业注入新的活力。”

　　“作为一套真正的用户装置，‘大连光源’将成为一个面向全世界的研究平台。”杨学明表示。建成以后，“大连光源”将成为当今世界上在极紫外波段最强的自由电子激光，因此是研究与原子分子过程相关的物理和化学科学问题的利器。“大连光源”综合实验装置还以极紫外相干光源为依托，配套研制了一系列具有国际先进水平的，用于研究与燃烧、大气以及洁净能源相关的物理化学过程的实验站，使得该装置成为相关研究领域的在国际上不可替代的研究平台。

　　据了解，“大连光源”在燃烧化学、极紫外光光刻、生物分子结构及动力学、大气雾霾化学等领域应用广泛。“以大气雾霾为例，大气中的化学物质与水分子作用后，形成分子团簇，这些团簇在生长过程中吸附各种污染物分子，生长为较大的气溶胶颗粒，并逐渐成长为雾霾。利用‘大连光源’的极紫外软电离技术，就可以研究雾霾的生长过程，从根本上理解雾霾形成的机理，为大气污染防治提供科学依据。”大连化学物理研究所研究员张未卿表示。

　　延伸阅读

　　合肥光源

　　1983年4月，中科大国家同步辐射实验室正式立项，建设我国第一台专用同步辐射光源，被称为“合肥光源”。1989年合肥光源建成，并发出中国第一束“神奇之光”。利用“合肥光源”，我国首次完成探月卫星“嫦娥一号”太阳风离子探测器正机的实验标定和测试，首次获得了X射线全息图样等。

　　上海光源

　　1999年，“上海光源”项目预研工作正式启动，2009年建成投入运行。

　　“上海光源”其实就相当于一台巨型的“超级显微镜”，它可以给微观世界，例如花草树木的呼吸过程、人体蛋白质分子活动等，拍摄高清晰度的科学照片。“上海光源”建成后，出光的稳定性始终保持良好，为中国科学家进一步扩宽了探索视界。