“世界最亮”的光、分子原子運動的“攝像機”
人類自誕生之日起，就一直在黑暗中找尋光明。除了太陽光等自然光源外，伴隨人類文明的進步，人造光源也逐漸成為人類認識世界和感知世界的工具。從上世紀40年代，美國在加州大學伯克利分校研發(fā)了第一代高能電子束同步加速器后，世界各國競相建設(shè)先進光源。作為全球最先進的第四代光源，自由電子激光在前沿科學研究中發(fā)揮著不可替代的作用，尤其近十年來，已成為人類探索未知物質(zhì)世界、實現(xiàn)技術(shù)變革、發(fā)現(xiàn)新科學規(guī)律的重要研究工具。
中科院大連化學物理所研究員正在調(diào)試“大連光源”裝置
近代物理學表明，光的本質(zhì)是電磁波，且?guī)в心芰俊９獾牟ㄩL越短，能量越高。可見光的能量較小，波長處于400-700納米之間，可以刺激人的視覺細胞產(chǎn)生信號。波長小于可見光的紫外光，由于能量較高，會對人體產(chǎn)生危害，比如UVA和UVB。而當波長短至約100納米時，光所具備的能量足以電離一個原子或分子而又不會把分子打碎，這個波段的光稱為極紫外光。
借助于極紫外光將分子或原子中的電子“打”出來，分子、原子在變成帶有正電荷的離子后擊打在探測器上，就會形成“電”信號。如此，科學家們就可以靈敏地“看到”微觀世界。然而由于在科學實驗中，需要探測的分子、原子數(shù)量可能非常少，存在時間也相當短，普通的極紫外光源無法滿足需求，必須借助于高亮度的極紫外光源，即極紫外激光。
“大連光源”發(fā)出的光正是極紫外激光。有了極紫外激光，科學家們就仿佛多了一件可探測微觀世界的“顯微鏡”。更令人嘆為觀止的是，“大連光源”發(fā)出的極紫外激光不僅僅是“顯微鏡”，更是能攝錄分子、原子運動過程的“攝像機”。
實際上，與人類生活息息相關(guān)的許多物理和化學過程，本質(zhì)都是分子和原子的反應(yīng)過程。人類創(chuàng)造的第三代同步輻射光源，可以為微觀世界的粒子“拍照”。與之相比，“大連光源”已經(jīng)先進到可以把一幀幀“照片”接合起來，為分子、原子“拍電影”，動態(tài)記錄下其物理、化學反應(yīng)的全過程。
若論光的亮度，其定義是單位時間內(nèi)、單位立體角內(nèi)、單位面積上、單位波長范圍內(nèi)所發(fā)射的光子數(shù)量。形象來看，太陽光的亮度是一般家用白熾燈的1萬倍，第三代人造光源的亮度又是太陽光的100億倍。而“大連光源”的峰值亮度可以達到第三代光源的100億倍，所謂“世界最亮”名不虛傳。
“大連光源”裝置中90%的設(shè)備由中國自主研發(fā)
“大連光源”平鋪在一個長達100多米的隧道內(nèi)，由加速器、波蕩器和光束線站三部分構(gòu)成。其發(fā)光原理為，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，直線加速器會將這個脈沖電子束加速到3億電子伏特的能量，這相當于讓電子穿越3億伏的超高壓電場。再用另一束皮秒或者亞皮秒時間寬度的強激光（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電磁場作用下，會按照激光的波長在空間調(diào)制，這其中含有豐富的諧波成分。接著，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，即波蕩器。根據(jù)電磁學原理，電子在周期性磁場中會一邊以光速向前飛行，一邊左右擺動，同時向前輻射出光線。電子在飛行途中各處發(fā)射的光會疊加增強，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烈地輻射光線。如果適當選擇周期性磁場的強度，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到飽和，從而輸出極紫外光。
光源的每一個激光脈沖可產(chǎn)生超過100萬億個光子，波長可在極紫外區(qū)域完全連續(xù)可調(diào)，具有完全的相干性。其脈沖長度可以在飛秒（1飛秒等于千萬億分之一秒）和皮秒模式間選擇，還可使用SASE(自放大自發(fā)輻射)或HGHG(高增益諧波放大)模式運行。
“大連光源”還采取了一系列先進技術(shù)，包括引入雙饋入電子直線加速管、楔形波蕩器技術(shù)等。裝置中90%的儀器設(shè)備均由中國自主研發(fā)，其中由中國自行設(shè)計和搭建的驅(qū)動激光整形系統(tǒng)及其穩(wěn)定性達到國際先進水平。
“大連光源”是由中國科學院大連化學物理研究所和上海應(yīng)用物理研究所聯(lián)合研制，并得到了國家自然科學基金委國家重大儀器專項資助，總投資達1.4億元。項目于2012年初正式啟動，2014年10月開工建設(shè)。2016年9月24日22點50分，超過300兆伏能量的高品質(zhì)電子束流依次通過自由電子激光放大器的全部元件，“大連光源”發(fā)出了第一束極紫外光。此后，經(jīng)過3個多月的調(diào)試，“大連光源”成功發(fā)出了更強光。
自正式開工后，僅在兩年的時間內(nèi)，項目團隊就完成了主要基建工程和主體光源裝置的研制，并且在短時間內(nèi)調(diào)試產(chǎn)生世界上單脈沖最亮的極紫外光，創(chuàng)造了中國同類大型科學裝置建設(shè)的新記錄。“大連光源”的建成，也為中國未來發(fā)展更高能量的X射線波段自由電子激光打下了堅實基礎(chǔ)。
由研制機構(gòu)根據(jù)需求“定向研制”，可剖析霧霾成因
大科學裝置是指通過較大規(guī)模投入和工程建設(shè)完成的、建成后需長期穩(wěn)定運行和持續(xù)開展科學技術(shù)活動、以實現(xiàn)重要科學技術(shù)和公益服務(wù)為目標的國家大型基礎(chǔ)設(shè)施。20世紀上半葉以來，隨著科學技術(shù)飛速發(fā)展，科學研究的內(nèi)容不斷深化、規(guī)模不斷擴大，研究方式和手段不斷趨向微觀化、宏觀化和復雜化，因此對其所依賴的實驗條件也有了更高的要求。于是，世界主要發(fā)達國家開始愈發(fā)重視大科學裝置建設(shè)。
作為誕生在中國的一項大科學裝置，“大連光源”不僅是中國第一臺大型自由電子激光科學研究用戶裝置，也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。此前極紫外波段的自由電子激光裝置，多為研究自由電子激光本身，未被用于其它科學領(lǐng)域。如今，“大連光源”所造出的世界最亮極紫外光束，可被廣泛應(yīng)用于化學、物理、能源、生物、材料和環(huán)境等研究領(lǐng)域。
比如，“大連光源”可幫助剖析霧霾的成因。大氣中的化學物質(zhì)與水分子作用后會形成分子團簇，正是這些團簇在生長過程中吸附大氣中各種污染分子，長成較大的氣溶膠顆粒，并逐漸變?yōu)轹病＠?ldquo;大連光源”極紫外軟電離技術(shù)，通過發(fā)展高靈敏度的單顆粒氣溶膠質(zhì)譜和成核機理研究裝置，解析大氣化學中團簇的精細結(jié)構(gòu)，就可以從根本上理清霾的形成機理，為大氣污染防治提供科學依據(jù)。
又比如，半導體芯片技術(shù)的快速發(fā)展主要依賴于激光光刻技術(shù)，而高強度的短波長光源是推動半導體器件向更小尺寸發(fā)展的關(guān)鍵。“大連光源”可提供最低50納米波長的極紫外光源，可用于下一代EUV光刻技術(shù)的基礎(chǔ)性研究。
對中國來說，“大連光源”的建成出光是一項具有極高顯示度的重大科技成果，同時也是中國大科學工程的實踐典范。與中國其它同類大型科學設(shè)備不同的是，“大連光源”是以科學驅(qū)動、應(yīng)用引領(lǐng)而研制的。也就是說，先由科研專家提出需求，再由研制機構(gòu)根據(jù)需求“定向研制”，打破了此前先有裝置再找用戶的開發(fā)規(guī)律。
“大連光源”的建設(shè)還開創(chuàng)了中國科研專家與大科學裝置研制專家成功合作的先例。中科院大連所的長處是科學研究，上海所則在裝置建設(shè)方面積累了豐富經(jīng)驗。“大連光源”完美整合了兩家研究所的力量，集各家之長建成，是投入產(chǎn)出比最小、效率最高的一種大科學裝置建設(shè)方式。
當前，“大連光源”的建成只是第一步，未來項目專家們將進一步努力把其發(fā)展成為一個真正意義上的面向全球的高水平實驗研究平臺，助力人類各領(lǐng)域基礎(chǔ)科學研究向前闊步邁進。
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