自由電子激光器的工作波長越短，則技術難度越高。圖為自由電子激光器的內部工作模擬圖（資料圖）
對原子、分子的探測是物理化學研究的基礎，但由于現有儀器設備的限制，大多數分子和自由基難以被單光子電離，使很多研究無法深入，成為困擾科研工作者的一大難題。
一項旨在解決該難題的實驗裝置即將在我國建設。3月12日，總預算達1.4億元的國家重大科研儀器設備專項“基于可調極紫外相干光源的綜合實驗研究裝置”在大連正式啟動。它將成為國際上唯一一套工作在50～150納米區間且波長可調的全相干高亮度的自由電子激光器。
項目總負責人、中科院院士楊學明表示，該裝置的研制將極大提升我國在能源等相關基礎科學領域的實驗水平，并極有希望成為國際上相關領域的一個重要研究基地。
強強聯合
項目負責人之一、中科院大連化物所研究員戴東旭介紹說，能源研究中，煤的熱解等燃燒過程的中間產物往往以原子、分子、自由基的形式存在，這些微觀粒子被電離為離子后才能變成電信號被測試到。因此，對微觀粒子的高靈敏度、高時間分辨率和物種分辨的探測和研究至關重要。
但是，大多數分子或自由基的激發電離波長都處于極紫外波段（50～150納米），而傳統激光器產生的基本波長一般在近紫外到近紅外波段（300～1000納米）。這造成了傳統激光激發電離微觀粒子需要吸收多個光子，其效率和靈敏度會呈幾何量級的降低，并且容易把產物打碎。
為解決該問題，科學家提出了利用自由電子激光產生極紫外波段相干光的技術。該技術被認為是探測微觀粒子最有效的途徑。自由電子激光的波長可涵蓋從硬X射線到遠紅外的所有波段，特別是利用高增益諧波產生（HGHG）技術產生的自由電子激光具有超高峰值亮度、超快時間特性和良好的相干性，應用價值巨大。
但該技術直到近十年才在實驗中得到驗證。其中，中科院上海應用物理所在幾年前建設了我國第一個自由電子激光，并成功進行了相關實驗。
而在大連，一位在科研中多年受困于粒子探測難題的科學家坐不住了。他就是以自己研發儀器進行實驗而著名的楊學明。楊學明找到上海應用物理所，希望雙方能夠合作開發新設備。
3月12日，總預算達1.4億元的國家重大科研儀器設備專項“基于可調極紫外相干光源的綜合實驗研究裝置”在大連正式啟動。（資料圖）
上海方面通過經驗積累后也意識到，有把握將自由電子激光的波長從200納米降到150納米以內，并實現波長可調。于是雙方一拍即合，經過幾年論證，在2011年聯合申請了國家自然科學基金委國家重大科研儀器設備專項。
1月20日，上海應用物理所宣布：由該所研究員趙振堂領導的自由電子激光研究團隊在國際上率先實現了HGHG自由電子激光大范圍波長連續可調。
“在這個項目中，大連化物所和上海應物所是完美結合。”戴東旭表示，上海光源的建成使上海應物所擁有了大科學工程的建設與管理經驗，并掌握了大量的關鍵技術。
從“敢想”到“敢做”
據戴東旭介紹，自由電子激光在進入21世紀之后才開始興旺發展起來。目前，幾家研發自由電子激光的相關單位各有所長，其中一些在波長等指標方面較為領先，技術難度很高，但還沒有一家可實現波長可調。
位于合肥的國家同步輻射實驗室目前能提供國內真空紫外最好的實驗條件，在過去曾協助楊學明課題組做出很好的實驗成果。但同步輻射光源畢竟不是激光，在相干性、峰值功率和時間特性上尚存差異。
針對這些問題，大連化物所從實際需求出發提出要求，上海應用物理所在設計中將目標瞄準解決實驗中的實際問題。
據悉，該項目的設備將主要由我國自主研發。“這項技術國外也處在發展階段，有些特殊指標只能自己制造，從國外買設備也需要從頭研制。”戴東旭說。
在1.4億元的項目總預算中，國家自然科學基金委資助1.03億元用于自由電子激光和實驗裝置的研制，中科院大連化物所自籌約0.4億元用于基建和公用設施。該項目的科學目標是研制一套基于HGHG模式的波長可調諧的極紫外相干光源以及利用這一性能優越的光源的實驗裝置。這也將成為世界上獨特的相關基礎科學問題的實驗平臺。
據悉，目前經費已經到位，裝置計劃將于2015年年底前建成。而且會在全國實現儀器共享，可應用于物理、化學、生物、能源等多個領域。戴東旭說：“裝置建成后，以前測不到的將能測到，以前不好的信號將變清晰，以前做不了的實驗也敢做了。”
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