我國成功研制世界上最亮的可調(diào)極紫外光源

 15日，由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和上海應(yīng)用物理研究所聯(lián)合研制的“基于可調(diào)極紫外相干光源綜合實(shí)驗(yàn)裝置”——大連光源調(diào)試出光，輸出光脈沖光子數(shù)達(dá)到140萬億個(gè)，成為單脈沖世界上最亮的可調(diào)極紫外光源，這意味著我國在極紫外波段自由電子激光的研制方面走在了世界前列。

 “這是中國科學(xué)院乃至我國的又一項(xiàng)具有極高顯示度的重大科技成果。”中國科學(xué)院副院長王恩哥介紹，裝置中90％的儀器設(shè)備均由我國自主研發(fā)，標(biāo)志著我國在這一領(lǐng)域占據(jù)了世界領(lǐng)先地位，為國家未來發(fā)展更新一代的高重復(fù)頻率極紫外自由電子激光打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 大連化物所研究院張未卿告訴記者，大連化物所從2016年9月開始調(diào)試及紫外光，調(diào)試第一天就有了波蕩器出光，說明了設(shè)備的安裝沒有問題，之后要調(diào)試的就是極紫外光。

 調(diào)試的過程很辛苦，也遇到了一些困難。“調(diào)試的時(shí)候，種子激光和電子束要在空間、時(shí)間上都重疊在一起，才會發(fā)生作用，但他們的速度是以皮秒（1皮秒 ＝ 1萬億分之一秒）計(jì)算的，所以非常困難。在調(diào)試中，還出現(xiàn)過光線被擋住的情況，工作人員要在100米長的機(jī)器上逐段排查，找出擋光的原因。”張未卿說，幾個(gè)月的時(shí)間，機(jī)器一直不停運(yùn)轉(zhuǎn)，全體工作人員輪班倒，為了盡快調(diào)出所需要的極紫外光源，通宵熬夜工作成了家常便飯。

 什么是極紫外光？

 近代物理證明，光的本質(zhì)是電磁波，同時(shí)也是粒子，光子本身帶有能量，波長越短，光子的能量就越高。可見光的波長大致處于400～700納米之間（1納米等于10億分之一米），其光子能量可以刺激人的視覺細(xì)胞產(chǎn)生信號，而波長小于可見光的紫外光因?yàn)楣庾幽芰扛?，就會對人體產(chǎn)生危害，比如UVA（320～ 400納米）和UVB（270 ～ 320納米）紫外光。而當(dāng)波長短到100納米附近時(shí)，一個(gè)光子所具備的能量就足以電離一個(gè)原子或分子而又不會把分子打碎，這個(gè)波段的光稱為極紫外光。

 由于在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要探測的原子或分子數(shù)量可能非常少，存在時(shí)間也非常短，普通的極紫外光源無法滿足這個(gè)需求，必須要有高亮度的極紫外光源，即極紫外激光。

 極紫外光能夠電離幾乎所有的組成普通物質(zhì)的原子和分子的特性使得它無法在普通物質(zhì)（包括空氣）中傳播，只能在真空中傳播，所以極紫外光也稱為真空紫外光。因此，極紫外激光無法在普通物質(zhì)中產(chǎn)生和放大，只能在“特殊物質(zhì)”中產(chǎn)生，這個(gè)“特殊物質(zhì)”就是脫離原子核而單獨(dú)存在的自由狀態(tài)的電子。

 據(jù)介紹，大連光源是當(dāng)今世界上唯一工作在極紫外波段的自由電子激光用戶裝置，大連光源也將成為當(dāng)今世界上在極紫外波段最強(qiáng)的自由電子激光。

 如何輸出極紫外光？

 根據(jù)電動力學(xué)原理，加速運(yùn)動的電子會向外輻射電磁波，尤其是來回變向跑動（振蕩）的電子輻射電磁波能力非常強(qiáng)。常用的無線信號，無論是電視還是手機(jī)，都是通過驅(qū)使電子在天線里來回振蕩發(fā)射電磁波。在大連極紫外相干光源中，時(shí)間寬度為幾個(gè)皮秒（1皮秒 ＝ 1萬億分之一秒）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，利用直線加速器將這個(gè)脈沖電子束加速到3億電子伏特的能量（這相當(dāng)于讓電子穿越3億伏的超高壓電場）。這時(shí)，由于相對論效應(yīng)，電子的速度與光速非常接近。再用另一束皮秒或者亞皮秒時(shí)間寬度的強(qiáng)激光（種子激光）照射在這個(gè)高能電子束上，電子束中的電子在種子激光的電磁場的作用下，就會按照激光的波長在空間重新分布（調(diào)制），其中含有豐富的諧波成分。然后讓空間分布被調(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(xué)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，這樣電子就會向前輻射出光線。由于電子飛行的速度和光速非常接近，電子在飛行途中各處發(fā)射的光會疊加增強(qiáng)，同時(shí)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(qiáng)烈地輻射光線。如果適當(dāng)?shù)剡x擇周期性磁場的強(qiáng)度，就會使得種子激光中的某個(gè)諧波成分按照前述方式急劇地自激放大并達(dá)到飽和，從而輸出極紫外光。

 極紫外光讓原子分子“無處遁形”

 很多物理和化學(xué)過程在本質(zhì)上都是原子和分子過程，比如臭氧層空洞的形成涉及到大氣上層臭氧分子（O3）的淬滅機(jī)制，霧霾的形成涉及到污染物分子（SO2、CO等）聚集過程，燃燒過程涉及到氧原子或氧分子與其它分子的反應(yīng)等一系列過程。要控制或利用這些物理和化學(xué)過程，就需要在實(shí)驗(yàn)室里研究這些過程所涉及到的原子和分子的反應(yīng)機(jī)制，因此就需要精確并且高靈敏度地探測所涉及到原子和分子。

 在極紫外光照射下的區(qū)域內(nèi)，幾乎所有的原子和分子都“無處遁形”。比如霧霾，大氣中的化學(xué)物質(zhì)與水分子作用后，形成分子團(tuán)簇，這些團(tuán)簇在生長過程中吸附大氣中各種污染分子以及水分子，生長為較大的氣溶膠顆粒，并逐漸成長為霧霾。大連光源能夠解析大氣化學(xué)中性團(tuán)簇的精細(xì)結(jié)構(gòu)，揭示大氣中氣溶膠的成核動力學(xué)機(jī)制。

 世界上90％的能源來自于燃燒，高效利用能源以及減少污染排放是重要的世界性問題。極紫外光可利用單光子電離的方法靈敏探測燃燒中間反應(yīng)步驟和中間體的理想光源，為闡明燃燒過程中的化學(xué)機(jī)理提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 王恩哥說，當(dāng)今世界，大科學(xué)工程對于科技的發(fā)展起著越來越重要的推動作用。“大連光源”的建成出光，成為我國大科學(xué)工程的又一成功范例，也必將大大促進(jìn)我國在能源、化學(xué)、物理、生物、材料、大氣霧霾、光刻等多個(gè)重要領(lǐng)域研究水平的提升，為我國的科技事業(yè)注入了新的活力。

 大連化物所副所長楊學(xué)明希望，大連光源能夠推動技術(shù)研究的發(fā)展，用電子極紫外光源來推動分子科學(xué)，以及化學(xué)、能源等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。