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日前，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)合研制的極紫外自由電子激光裝置——“大連光源”，發(fā)出了世界上最強(qiáng)的極紫外自由電子激光脈沖，單個(gè)皮秒（1皮秒等于一萬億分之一秒）激光脈沖產(chǎn)生140萬億個(gè)光子，這套總長(zhǎng)100米的裝置成為世界上最亮且波長(zhǎng)完全可調(diào)的極紫外自由電子激光光源。
“大連光源，能給原子拍視頻”由機(jī)電網(wǎng)整理發(fā)布，如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明文章來源，更多行業(yè)資訊，請(qǐng)點(diǎn)擊關(guān)注：機(jī)電行業(yè)
自由電子激光是國際上最新一代先進(jìn)光源，也是當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國家競(jìng)相發(fā)展的重要方向，在科學(xué)研究、國防科技發(fā)展中有著重要的應(yīng)用前景。
“大連光源”是我國第一臺(tái)大型自由電子激光科學(xué)研究用戶裝置，是當(dāng)今世界上唯一運(yùn)行在極紫外波段的自由電子激光裝置，也是世界上最亮的極紫外光源。它也是繼“合肥光源”和“上海光源”之后，我國在該領(lǐng)域的又一次重要探索。極紫外光是什么，這套先進(jìn)的大科學(xué)裝置基本原理又是什么，將有哪些應(yīng)用？
光源亮、脈沖短，微觀世界看得更清楚
人類已經(jīng)知道，很多物理和化學(xué)過程在本質(zhì)上都是原子和分子運(yùn)動(dòng)的過程。要控制或利用這些過程，需要研究其中涉及的原子和分子的反應(yīng)機(jī)制，也就需要精確且高度靈敏地探測(cè)所涉及的原子和分子。
自19世紀(jì)以來，電和電磁波就成為人類認(rèn)識(shí)和感知物質(zhì)世界的最重要的媒介和手段，比如通過麥克風(fēng)把聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再進(jìn)行處理和傳輸。人類研究原子和分子的反應(yīng)機(jī)制，最直接的方法也是將其變成易于識(shí)別和處理的電信號(hào)。其過程是把原子或分子中的電子“打”（電離）出來，可以得到原子分子以及物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)信息，進(jìn)而在微觀層次上探索物質(zhì)世界的奧秘。
近代物理已經(jīng)證明，光具有波粒二象性，既是電磁波，同時(shí)也是粒子。光子本身帶有能量，波長(zhǎng)越短，光子的能量就越高。而當(dāng)光的波長(zhǎng)短到約100納米時(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(huì)把它們打碎，這個(gè)波段的光稱為極紫外光。但是由于在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要探測(cè)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一需求，因此必須要有高亮度的極紫外光源，即極紫外激光。“光源亮，微觀世界可以看得更清楚；脈沖短，我們可以看到分子和原子在物理和化學(xué)變化中超快的過程。”中科院大連化學(xué)物理研究所副所長(zhǎng)楊學(xué)明院士說。
最亮的“閃光燈”、最快的“快門”，能讓分子、原子“無處遁形”
極紫外激光能電離幾乎所有組成普通物質(zhì)的原子和分子，因此，極紫外激光也無法在普通物質(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。
根據(jù)電動(dòng)力學(xué)原理，加速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)向外輻射電磁波，振蕩的電子輻射電磁波能力非常強(qiáng)。常用的無線信號(hào)，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。
“大連光源”由加速器、波蕩器和光束線站三部分構(gòu)成。先由時(shí)間寬度為幾個(gè)皮秒的脈沖激光（驅(qū)動(dòng)激光）在光陰極上打出一簇高密度的脈沖電子，再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，電子的速度與光速非常接近。另一束皮秒或者相近時(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作用下，就會(huì)按照激光的波長(zhǎng)在空間重新分布（調(diào)制），然后讓被調(diào)制的電子束繼續(xù)穿越一系列周期性變化的磁場(chǎng)。電子在周期性磁場(chǎng)中就會(huì)一邊以光速向前飛行，一邊左右擺動(dòng)，向前輻射出光線。途中各處發(fā)射的光會(huì)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，適當(dāng)?shù)剡x擇周期性磁場(chǎng)的強(qiáng)度，就會(huì)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，從而輸出極紫外激光。
“‘大連光源’有最亮的‘閃光燈’，峰值功率的亮度比太陽光高100億倍的100億倍，有最快的‘快門’，出光長(zhǎng)度能達(dá)到飛秒（1飛秒等于一千億分之一秒）、皮秒，不但能讓分子、原子‘無處遁形’，還能給它們‘拍電影’，將物理化學(xué)反應(yīng)的全過程動(dòng)態(tài)記錄下來。”上海應(yīng)用物理研究所所長(zhǎng)趙振堂用一連串的比喻來說明“大連光源”的大用場(chǎng)。
應(yīng)用廣泛，有助于理解霧霾形成的機(jī)理
“大連光源”采取了一系列先進(jìn)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，自行設(shè)計(jì)和搭建的驅(qū)動(dòng)激光的整形系統(tǒng)及其穩(wěn)定性達(dá)到了國際先進(jìn)水平。項(xiàng)目在兩年的時(shí)間里完成了基建工程以及主體光源裝置的研制，3個(gè)月內(nèi)調(diào)試成功，創(chuàng)造了我國同類大型科學(xué)裝置建設(shè)的新紀(jì)錄。中國科學(xué)院副院長(zhǎng)王恩哥院士認(rèn)為，“‘大連光源’建成出光，成為我國大科學(xué)工程的又一成功范例，將為我國的科技事業(yè)注入新的活力。”
“作為一套真正的用戶裝置，‘大連光源’將成為一個(gè)面向全世界的研究平臺(tái)。”楊學(xué)明表示。建成以后，“大連光源”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，因此是研究與原子分子過程相關(guān)的物理和化學(xué)科學(xué)問題的利器。“大連光源”綜合實(shí)驗(yàn)裝置還以極紫外相干光源為依托，配套研制了一系列具有國際先進(jìn)水平的，用于研究與燃燒、大氣以及潔凈能源相關(guān)的物理化學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)站，使得該裝置成為相關(guān)研究領(lǐng)域的在國際上不可替代的研究平臺(tái)。
據(jù)了解，“大連光源”在燃燒化學(xué)、極紫外光光刻、生物分子結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)、大氣霧霾化學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。“以大氣霧霾為例，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(zhǎng)過程中吸附各種污染物分子，生長(zhǎng)為較大的氣溶膠顆粒，并逐漸成長(zhǎng)為霧霾。利用‘大連光源’的極紫外軟電離技術(shù)，就可以研究霧霾的生長(zhǎng)過程，從根本上理解霧霾形成的機(jī)理，為大氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)。”大連化學(xué)物理研究所研究員張未卿表示。
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