探索物質世界奧秘的極紫外神光

日前，以中國科學院大連化學物理研究所為依託單位，上海應用物理研究所為合作單位，由國家自然科學基金委資助的「基於可調極紫外相干光源綜合實驗裝置」——大連光源調試出光，輸出光脈衝光子數達到140萬億個，成為單脈衝世界上最亮的可調極紫外光源，這意味著我國在極紫外波段自由電子激光的研製方面走在了世界前列。

隨著人類對自然界的認識不斷深入，我們已經知道與人類生活息息相關的很多物理和化學過程在本質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等一系列過程。要控制或利用這些物理和化學過程，我們就需要在實驗室里研究這些過程所涉及到的原子和分子的反應機制，因此就需要精確並且高靈敏度地探測所涉及到原子和分子。

自19世紀以來，電和電磁波不僅成為人類社會最重要的輸送和使用能源的形式，而且也成為了人類認識和感知物質世界的最重要的媒介和手段。例如，現在人們都是把聲音和圖像通過麥克風和攝像頭等轉換成電信號，然後進行處理和傳輸。同樣，如要探測物質世界中的原子和分子，最關鍵的就是要將所要探測的物質世界中的原子或分子中的相關信息變成易於識別和處理的電信號，最直接的方法就是把原子或分子中的電子打出來，使得原子、分子變成帶有正電荷的離子，帶正電的離子擊打在探測器上，就會形成電信號，這樣的方法使得我們可以更加靈敏地探測原子、分子及自由基。此外，通過探測打出來的電子，我們還可以得到原子分子以及物質的結構和動態信息，進而在原子分子層次上探索物質世界的奧秘。

近代物理證明，光的本質是電磁波，同時也是粒子，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於400~700納米之間（1納米等於10億分之一米），其光子能量可以刺激人的視覺細胞產生信號，而波長小於可見光的紫外光因為光子能量高，就會對人體產生危害，比如 UVA （320~ 400納米）和 UVB （270 ~ 320納米）紫外光。而當波長短到100納米附近時，一個光子所具備的能量就足以電離一個原子或分子而又不會把分子打碎，這個波段的光稱為極紫外光。由於在科學實驗中，需要探測的原子或分子數量可能非常少，存在時間也非常短，普通的極紫外光源無法滿足這個需求，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的原子和分子的特性使得它無法在普通物質（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中產生和放大，只能在「特殊物質」中產生，這個「特殊物質」就是脫離原子核而單獨存在的自由狀態的電子。

根據電動力學原理，加速運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。我們常用的無線信號，無論是電視還是手機，都是通過驅使電子在天線里來回振蕩發射電磁波。在大連極紫外相干光源中，時間寬度為幾個皮秒（1皮秒 = 1萬億分之一秒）的脈衝激光（驅動激光）在光陰極上打出一簇高密度的脈衝電子，利用直線加速器將這個脈衝電子束加速到3億電子伏特的能量（這相當於讓電子穿越3億伏的超高壓電場）。這時，由於相對論效應，電子的速度與光速非常接近。我們再用另一束皮秒或者亞皮秒時間寬度的強激光（種子激光）照射在這個高能電子束上，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（調製），其中含有豐富的諧波成分。然後讓空間分布被調製的電子束繼續穿越一系列周期性變化的磁場（即波盪器）。根據電磁學原理，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。由於電子飛行的速度和光速非常接近，電子在飛行途中各處發射的光會疊加增強，同時電子自身輻射的光也在調製電子自己的空間分布，從而使得電子更加強烈地輻射光線。如果我們適當地選擇周期性磁場的強度，就會使得種子激光中的某個諧波成分按照前述方式急劇地自激放大並達到飽和，從而輸出我們需要的極紫外激光。

為了實現國際領先的技術指標，大連光源採取了一系列先進的技術，包括引入雙饋入電子直線加速管、楔形波盪器技術等。自行設計和搭建的驅動激光的整形系統及其穩定性達到了國際先進水平。為了保證整個極紫外相干光源的穩定運行，整個系統所在建築的防輻射性能、地基的防振性、激光器超凈間溫濕度的恆定性和電子加速器冷卻水溫度的穩定性都達到了極高的標準。建成以後，大連光源將成為當今世界上在極紫外波段最強的自由電子激光，在這樣的極紫外光照射下的區域內，幾乎所有的原子和分子都「無處遁形」，因此是研究與原子分子過程相關的物理和化學科學問題的強有力的利器。大連光源綜合實驗裝置還以極紫外相干光源為依託，配套研製了一系列具有國際先進水平的，用於研究與燃燒、大氣以及潔凈能源相關的物理化學過程的實驗站，使得該裝置成為相關研究領域的一個在國際上獨具特色的，不可替代的研究平台。

作者系中科院大連化學物理研究所分子反應動力學國家重點實驗室科研人員

經授權轉載自中科院之聲微信公眾號

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編輯：楊發枝