极紫外区的“中国神光”:大连光源出光了

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大连光源 刘万生摄

大连光源出光了。

1月15日,由中科院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所联合研制的极紫外自由电子激光装置——大连光源,在经过3个多月的调试后,这个总长100米的大装置发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲,单个皮秒激光脉冲产生140万亿个光子,成为世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。

中科院副院长王恩哥评价称:“大连光源是中科院乃至我国的又一项具有极高显示度的重大科技成果。装置中90%的仪器设备均由我国自主研发,标志着我国在这一领域占据了世界领先地位,为我国未来发展更新一代的高重复频率极紫外自由电子激光打下了坚实的基础。”

给分子“拍个电影”

自由电子激光是国际上最先进的新一代先进光源,也是当今世界先进国家竞相发展的重要方向,在科学研究、先进技术、国防科技发展中有着重要的应用前景。先进自由电子激光的发展在前沿科学研究中发挥着越来越重要的作用,特别是近十年来,自由电子激光技术的发展和突破为探索未知物质世界、发现新科学规律、实现技术变革提供了前所未有的研究工具。

“自由电子激光能够给分子‘拍电影’,比如记录化学键断裂的动态过程,具有非常诱人的应用前景。”中科院上海应物所所长赵振堂说。

而要拍好这部“电影”,离不开神奇的极紫外光。

当波长短到100纳米附近时,一个光子所具备的能量就足以电离一个原子或分子而又不会把分子打碎,这个波段的光称为极紫外光。

“在科学实验中,需要探测的原子或分子数量可能非常少,存在时间也非常短,普通的极紫外光源无法满足这个需求,必须要有高亮度的极紫外光源,即极紫外激光。”中科院大连化物所分子反应动力学国家重点实验室研究员戴东旭解释称,“极紫外激光只能在‘特殊物质’中产生,这个‘特殊物质’就是脱离原子核而单独存在的自由状态的电子。”

但是,一台运行在极紫外波段的自由电子激光设备在世界上尚属空白。

这让科学家感到,中国的机会来了。

中国第一 世界最亮

在国家自然科学基金委国家重大仪器专项资助下,由大连化物所和上海应物所联合研制的大连光源项目于2012年初正式启动,2014年10月正式在大连长兴岛开工建设,并于2016年9月底安装完成,首次出光。

至此,大连光源成为我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置,是当今世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置,也是世界上最亮的极紫外光源。

光源的每一个激光脉冲可产生超过100万亿个光子,波长可在极紫外区域完全连续可调,具有完全的相干性;该激光可以工作在飞秒或皮秒脉冲模式,可以用自放大自发辐射或高增益谐波放大模式运行。在这样的极紫外光照射下的区域内,几乎所有的原子和分子都“无处遁形”。

“大连光源属于第四代光源,在化学、能源、物理、生物、环境等重要研究领域有着广泛的应用,我国率先建成这一先进光源,对推动我国乃至世界在这些领域的研究发展有着极其重要的意义。”中科院院士、中科院大连化物所副所长杨学明说,“大连光源的成功研制也为我国未来发展X波段的自由电子激光打下了坚实基础。”

例如,举国关注的雾霾问题,就可以利用大连光源来研究。大气中的化学物质与水分子作用后,形成分子团簇,这些团簇在生长过程中吸附大气中各种污染分子,生长为较大的气溶胶颗粒,并逐渐成长为雾霾。利用大连光源极紫外软电离技术,就可以研究雾霾的生长过程,从根本上理解雾霾形成的机理,为大气污染防治提供科学依据。

在王恩哥看来,在当今世界,大科学工程对于科技发展起着越来越重要的推动作用。大连光源的建成出光,成为我国大科学工程的又一成功范例,将大大促进我国在能源、化学、物理、生物、材料、大气雾霾、光刻等多个重要领域研究水平的提升,为我国科技事业注入新的活力。

一次握手 造就典范

大连光源正式开工建设以来,在两年的时间里完成了基建工程以及主体光源装置的研制,并且在很短的时间内调试成功产生了世界上单脉冲最亮的极紫外激光,创造了我国同类大型科学装置建设的新记录。

这一项目也开创了我国科学研究专家与大科学装置研制专家成功合作的先例,对于未来加快推动大科学装置在科学研究中的应用具有重要的现实意义。

以科学目标为驱动,让大连光源成为我国大科学装置研制的典范。赵振堂告诉《中国科学报》记者,我国早期的大科学装置,往往都是先建好装置,再去找用户,看看哪些科学家能用。“但是大连光源把这个过程反了过来,是科学家先对科研有了需求,再找到工程团队来合作。这要求我们在建装置之前就充分调研,开工之前就要掌握装置的科学目标是什么。”

大连化物所的长处是科学研究,而上海应物所团队在大科学装置建设方面积累了20年的经验,两个团队为了相同的梦想走到了长兴岛,合作顺利得出人意料。

“合作、协同是中科院的优良传统。”赵振堂认为,“现在看来,打破研究所之间藩篱,整合各所力量,集各家之长来建大科学装置,是投入产出比最小、效率最高的一种方式。”

接下来,大连化物所以及上海应物所的项目专家将进一步把大连光源建设成为高水平的实验研究用户装置,为我国乃至世界提供一个独特的科学研究装置。

《中国科学报》 (2017-01-16 第1版 要闻)
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责任编辑: 闫月

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