大连光源： 给分子原子“拍电影”

李大庆

2017年01月26日  来源：科技日报

　　1月15日，中国科学院研制的“大连光源”发出世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲，单个皮秒激光脉冲产生140万亿个光子，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。

　　又一项“世界之最”的科学工程在中国诞生了。

　　日前，由中国科学院大连化学物理研究所（下称大连化物所）和上海应用物理研究所（下称上海应物所）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，单个皮秒激光脉冲包含了140万亿个光子。

　　从去年9月底安装完成首次出光之后，经过3个多月的调试后，总长100米的大连光源终于成为了世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。那么这台自由电子激光装置是干什么用的？它为什么能产生如此的强光？

　　独门绝技

　　能让分子原子“无处遁形”

　　“随着人类对自然界的认识不断深入，我们已经知道与人类生活息息相关的很多物理和化学过程在本质上都是原子和分子过程。”中科院大连化物所分子反应动力学国家重点实验室研究员戴东旭举例说，比如臭氧层空洞的形成涉及到大气上层臭氧分子（O3）的淬灭机制，雾霾的形成涉及到污染物分子（SO2、CO等）聚集过程，燃烧过程涉及到氧原子或氧分子与其他分子的反应等一系列过程。要控制或利用这些物理和化学过程，我们就需要在实验室里研究这些过程所涉及到的原子和分子的反应机制，因此就需要精确并且高灵敏度地探测所涉及到的原子和分子。

　　自由电子激光光源提供了高亮度的光源，能够用来精确并且高灵敏度地探测原子和分子。

　　近代物理证明，光的本质是电磁波，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。可见光的波长大致处于400—700纳米之间（1纳米等于10亿分之一米），其光子能量可以刺激人的视觉细胞产生信号，而波长小于可见光的紫外光因为光子能量高，就会对人体产生危害，比如UVA（320—400纳米）和UVB（270—320纳米）紫外光。而当波长短到100纳米左右时，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分子打碎，这个波段的光称为极紫外光。

　　不仅能拍照，还能“拍电影”

　　“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个需求，必须要有高亮度的极紫外光源，即极紫外激光。”戴东旭说，极紫外光具有的能够电离几乎所有的组成普通物质的原子和分子的特性，使得它无法在普通物质（包括空气）中传播，只能在真空中传播，所以极紫外光也称为真空紫外光。因此，极紫外激光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。

　　中科院上海应物所所长赵振堂研究员说，第三代光源，比如上海光源，其峰值亮度相当于太阳光的百亿倍。而大连光源属于第四代光源，其峰值亮度相当于第三代光源的百亿倍。与以前我国研制的光源相比，大连光源不仅能够像以前的光源那样给分子原子拍照片，而且能给分子原子“拍电影”。它是一个动态的研究工具，能解决分子动力学的许多问题。

　　大连光源的光子能量并不是最高的，但对研究分子、原子化学反应动力学来说却是最合适的——它有极紫外波段最亮的“闪光灯”，有超快的“快门”，其出光脉冲长度能达到飞秒和皮秒量级。

　　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（而非样机），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。

　　实验平台

　　可用于下一代EUV光刻技术

　　自由电子激光是国际上最先进的新一代光源，也是当今世界发达国家竞相发展的重要方向，在科学研究、先进技术、国防科技发展中有着重要的应用前景。先进自由电子激光的发展在前沿科学研究中发挥着越来越重要的作用，特别是近10年来，自由电子激光技术的发展和突破为探索未知物质世界、发现新科学规律、实现技术变革提供了前所未有的研究工具。

　　“我们希望大连光源这台自由电子激光装置能够推动我国基础科学研究的发展，推动我国分子科学、化学、能源等学科和技术的进步。”大连化物所副所长杨学明院士表示。

　　近几十年来，半导体芯片技术的快速发展主要依赖于激光光刻技术。而高强度的短波长光源是推动半导体器件向更小尺寸发展的关键。大连光源能够提供最低50纳米波长的极紫外光源，可以用于下一代EUV光刻技术的基础性研究。

　　助力洁净能源与大气机理研究

　　“能源是制约我国未来发展的最为重要的因素之一。要解决我国未来的能源问题，我们一方面要更加有效地利用现在已有的能源；另一方面也要发展新的洁净能源。”中科院大连化物所张未卿研究员说，要达到这两个重要的目标，与能源相关的物理化学基础研究是非常关键和重要的研究领域。

　　当今世界90%的能源需求都是由燃烧提供的，随之而来的就是产生了大量的污染。科学家需要对燃烧化学的反应机理做深入研究，进而为提升燃烧效率减少污染提供理论支撑。提高燃烧效率是燃烧化学的主要研究内容，并且也是提高能源利用效率和降低环境污染的根本要求。

　　这个冬天肆虐全国多个地区的雾霾成了全社会关注的热点。严重的霾天天气从华北逐步漫延到西北东部和华中地带，给人民群众的健康带来了极大的危害。现在科学家对于霾的成因有了一定的认识，主要是燃烧排放、汽车尾气排放等。但霾在空气中形成的过程中，还会有光化学反应等。目前对它的形成机理科学家们还没有完全搞清楚。

　　利用大连光源，有助于科学家对霾的研究。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大气中各种污染分子，生长为较大的气溶胶颗粒，并逐渐成长为霾。利用大连光源极紫外软电离技术，就可以研究霾的生长过程，从根本上理解霾形成的机理，为大气污染防治提供科学依据。

　　戴东旭研究员说，科学家在研制大连光源的同时，还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，从而使得大连光源综合实验装置成为一个在相关研究领域、在国际上独具特色的、不可替代的研究平台。

　　定向研制

　　用户需求驱动项目“上马”

　　大连光源项目是国家自然科学基金委国家重大仪器专项资助的第一个经费过亿的项目。

　　与北京谱仪、上海光源等大型科学设备不同的是，大连光源是以科学目标为驱动而研制的。就是由科学家团队（主要是大连化物所杨学明院士团队）提出需要，由上海应物所按照科学家团队的需要而“定向研制”的。而以前的这类光源装置基本都是先建好装置，然后再去寻找用户，看它能为谁的研究提供服务。

　　上海应物所所长赵振堂认为，打破研究所之间的藩篱，整合研究所的力量，集各家之长来建大科学装置，是投入产出比最小、效率最高的一种方式。

　　对于大连光源，中国科学院副院长王恩哥给予了极高的评价：“大连光源是中科院乃至我国的又一项具有极高显示度的重大科技成果。装置中90%的仪器设备均由我国自主研发，标志着我国在这一领域占据了世界领先地位，为我国未来发展更新一代的高重复频率极紫外自由电子激光打下了坚实的基础。”

　　相关链接

　　大连光源的那些“前辈”们

　　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拓宽了探索视界。