中科院大連化學物理所研究員正在調試“大連光源”裝置

近代物理學表明，光的本質是電磁波，且帶有能量。光的波長越短，能量越高。可見光的能量較小，波長處於(yu) 400-700納米之間，可以刺激人的視覺細胞產(chan) 生信號。波長小於(yu) 可見光的紫外光，由於(yu) 能量較高，會(hui) 對人體(ti) 產(chan) 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(ge) 原子或分子而又不會(hui) 把分子打碎，這個(ge) 波段的光稱為(wei) 極紫外光。

借助於(yu) 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後擊打在探測器上，就會(hui) 形成“電”信號。如此，科學家們(men) 就可以靈敏地“看到”微觀世界。然而由於(yu) 在科學實驗中，需要探測的分子、原子數量可能非常少，存在時間也相當短，普通的極紫外光源無法滿足需求，必須借助於(yu) 高亮度的極紫外光源，即極紫外激光。

“大連光源”發出的光正是極紫外激光。有了極紫外激光，科學家們(men) 就仿佛多了一件可探測微觀世界的“顯微鏡”。更令人歎為(wei) 觀止的是，“大連光源”發出的極紫外激光不僅(jin) 僅(jin) 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(yu) 人類生活息息相關(guan) 的許多物理和化學過程，本質都是分子和原子的反應過程。人類創造的第三代同步輻射光源，可以為(wei) 微觀世界的粒子“拍照”。與(yu) 之相比，“大連光源”已經先進到可以把一幀幀“照片”接合起來，為(wei) 分子、原子“拍電影”，動態記錄下其物理、化學反應的全過程。

若論光的亮度，其定義(yi) 是單位時間內(nei) 、單位立體(ti) 角內(nei) 、單位麵積上、單位波長範圍內(nei) 所發射的光子數量。形象來看，太陽光的亮度是一般家用白熾燈的1萬(wan) 倍，第三代人造光源的亮度又是太陽光的100億(yi) 倍。而“大連光源”的峰值亮度可以達到第三代光源的100億(yi) 倍，所謂“世界最亮”名不虛傳(chuan) 。

“大連光源”裝置中90%的設備由中國自主研發

“大連光源”平鋪在一個(ge) 長達100多米的隧道內(nei) ，由加速器、波蕩器和光束線站三部分構成。其發光原理為(wei) ，先由時間寬度為(wei) 幾個(ge) 皮秒的脈衝(chong) 激光（驅動激光）在光陰極上打出一簇高密度的脈衝(chong) 電子，直線加速器會(hui) 將這個(ge) 脈衝(chong) 電子束加速到3億(yi) 電子伏特的能量，這相當於(yu) 讓電子穿越3億(yi) 伏的超高壓電場。再用另一束皮秒或者亞(ya) 皮秒時間寬度的強激光（種子激光）照射在這個(ge) 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(hui) 按照激光的波長在空間調製，這其中含有豐(feng) 富的諧波成分。接著，讓被調製的電子束繼續穿越一係列周期性變化的磁場，即波蕩器。根據電磁學原理，電子在周期性磁場中會(hui) 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射的光會(hui) 疊加增強，同時電子自身輻射的光也在調製電子自己的空間分布，從(cong) 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(hui) 使得種子激光中的某個(ge) 諧波成分按照前述方式急劇地自激放大並達到飽和，從(cong) 而輸出極紫外光。

光源的每一個(ge) 激光脈衝(chong) 可產(chan) 生超過100萬(wan) 億(yi) 個(ge) 光子，波長可在極紫外區域完全連續可調，具有完全的相幹性。其脈衝(chong) 長度可以在飛秒（1飛秒等於(yu) 千萬(wan) 億(yi) 分之一秒）和皮秒模式間選擇，還可使用SASE(自放大自發輻射)或HGHG(高增益諧波放大)模式運行。

“大連光源”還采取了一係列先進技術，包括引入雙饋入電子直線加速管、楔形波蕩器技術等。裝置中90%的儀(yi) 器設備均由中國自主研發，其中由中國自行設計和搭建的驅動激光整形係統及其穩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用物理研究所聯合研製，並得到了國家自然科學基金委國家重大儀(yi) 器專(zhuan) 項資助，總投資達1.4億(yi) 元。項目於(yu) 2012年初正式啟動，2014年10月開工建設。2016年9月24日22點50分，超過300兆伏能量的高品質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”發出了第一束極紫外光。此後，經過3個(ge) 多月的調試，“大連光源”成功發出了更強光。

自正式開工後，僅(jin) 在兩(liang) 年的時間內(nei) ，項目團隊就完成了主要基建工程和主體(ti) 光源裝置的研製，並且在短時間內(nei) 調試產(chan) 生世界上單脈衝(chong) 最亮的極紫外光，創造了中國同類大型科學裝置建設的新記錄。“大連光源”的建成，也為(wei) 中國未來發展更高能量的X射線波段自由電子激光打下了堅實基礎。

由研製機構根據需求“定向研製”，可剖析霧霾成因

大科學裝置是指通過較大規模投入和工程建設完成的、建成後需長期穩定運行和持續開展科學技術活動、以實現重要科學技術和公益服務為(wei) 目標的國家大型基礎設施。20世紀上半葉以來，隨著科學技術飛速發展，科學研究的內(nei) 容不斷深化、規模不斷擴大，研究方式和手段不斷趨向微觀化、宏觀化和複雜化，因此對其所依賴的實驗條件也有了更高的要求。於(yu) 是，世界主要發達國家開始愈發重視大科學裝置建設。

作為(wei) 誕生在中國的一項大科學裝置，“大連光源”不僅(jin) 是中國第一台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(wei) 研究自由電子激光本身，未被用於(yu) 其它科學領域。如今，“大連光源”所造出的世界最亮極紫外光束，可被廣泛應用於(yu) 化學、物理、能源、生物、材料和環境等研究領域。

比如，“大連光源”可幫助剖析霧霾的成因。大氣中的化學物質與(yu) 水分子作用後會(hui) 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汙染分子，長成較大的氣溶膠顆粒，並逐漸變為(wei) 霾。利用“大連光源”極紫外軟電離技術，通過發展高靈敏度的單顆粒氣溶膠質譜和成核機理研究裝置，解析大氣化學中團簇的精細結構，就可以從(cong) 根本上理清霾的形成機理，為(wei) 大氣汙染防治提供科學依據。

又比如，半導體(ti) 芯片技術的快速發展主要依賴於(yu) 激光光刻技術，而高強度的短波長光源是推動半導體(ti) 器件向更小尺寸發展的關(guan) 鍵。“大連光源”可提供最低50納米波長的極紫外光源，可用於(yu) 下一代EUV光刻技術的基礎性研究。

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範。與(yu) 中國其它同類大型科學設備不同的是，“大連光源”是以科學驅動、應用引領而研製的。也就是說，先由科研專(zhuan) 家提出需求，再由研製機構根據需求“定向研製”，打破了此前先有裝置再找用戶的開發規律。

“大連光源”的建設還開創了中國科研專(zhuan) 家與(yu) 大科學裝置研製專(zhuan) 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方麵積累了豐(feng) 富經驗。“大連光源”完美整合了兩(liang) 家研究所的力量，集各家之長建成，是投入產(chan) 出比最小、效率最高的一種大科學裝置建設方式。

當前，“大連光源”的建成隻是第一步，未來項目專(zhuan) 家們(men) 將進一步努力把其發展成為(wei) 一個(ge) 真正意義(yi) 上的麵向全球的高水平實驗研究平台，助力人類各領域基礎科學研究向前闊步邁進。