大連光源，照亮科學的未知世界

最新 07-13

7月12日，由國家自然科學基金委資助，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的「基於可調極紫外相干光源的綜合實驗研究裝置」（簡稱「大連相干光源」或「大連光源」一期項目）通過了基金委組織的專家驗收。這標誌著該裝置圓滿完成各項建設任務，進入正式運行階段。

「大連光源」是如何建成的？

說起「大連光源」的建設，這還要追溯到2011年。當時，由楊學明、趙振堂、王東領導的大連化物所和上海應物所聯合研發團隊，提出了在我國率先建設基於國際上新一代極紫外高增益自由電子激光的綜合實驗裝置的計劃。經過中國科學院推薦申請和層層嚴格評審，該項目於2012年獲得了國家自然科學基金委的立項資助，專項經費1.033億元。項目啟動後，聯合研發團隊專家精誠合作，對國際上自由電子激光裝置開展了詳細調研，並於2013年12月確定了最終的技術方案。

2014年10月，「大連光源」實驗樓正式破土動工。2016年9月24日，在不到兩年的時間裡，項目組完成了主要基建工程和主體光源裝置的研製，並實現了光源裝置的首次出光，創造了同類大型科學裝置建設的新記錄。後又經過兩個多月卓有成效的調試，「大連光源」先後實現了自發輻射自放大模式（SASE）和高增益諧波放大模式（HGHG）飽和出光，成為了我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。它可以工作在飛秒或皮秒脈衝模式，每一個激光脈衝可產生超過140萬億（1.4x1014）個光子，單脈衝亮度是世界上所有極紫外光源中最亮的，波長可在整個極紫外區域（50-150nm）連續可調，具有完全的相干特性。更為難能可貴的是，這一裝置90%的儀器設備是由我國自主研發，標誌著我國自由電子激光的相關技術已經達到國際先進水平。

2017年1月，「大連光源」研製成功媒體見面會在裝置所在地——大連化物所長興島園區舉行，中央主流媒體和地方媒體都對此進行了詳細報道，引發了國內外的強烈關注。目前，已有多個國內外頂尖研發團隊表示希望依託「大連光源」建設實驗站，開展相關研究工作。

「大連光源」到底能用來做什麼？

這麼高端、先進的儀器設備，到底可以用來做什麼？這恐怕是很多人都非常關注的問題。今天我們就給大家簡要介紹一下。

「光源」，顧名思義，就是自己能夠發光的物體。它最大的用處就是照亮周圍的世界，幫助人類更好地去認識和改造我們生活的環境。人類文明最偉大的進步之一就是發明了電燈，原則上說，有了電燈，人類就可以去照亮世界上任何一個黑暗的角落。同樣道理，「大連光源」也是一台能夠自己發出光線，從而幫助人類探索未知世界的科學儀器。只不過，「大連光源」發出的光線不是我們熟知的可見光，而是極紫外光，並且是亮度非常高的極紫外激光光束。因為這一光束是以自由電子作為工作介質產生的，所以又被稱為「極紫外自由電子激光」。極紫外光是整個光譜當中非常有用的一個波段，是探測物質的分子、原子和外殼層電子結構最重要的區域，因此對於探索物質化學轉化的本質具有重要意義。換句話說，「大連光源」發出的極紫外光束可以捕捉到分子、原子在化學反應中的動態影像，能夠用來給分子、原子「拍電影」，這在以往是難以想像的。分子、原子是構成物質的最基礎的微觀粒子，物質的一切外在性質和狀態都由其分子、原子的結構所決定。因此，探索分子、原子的結構對於研究物質的物理性質、化學性質、生命基本性質、材料性質和功能等具有本質上的提升作用。從這個意義上說，「大連光源」對於能源、化學、物理、生物、醫學、材料等多個自然科學領域都具有革命性的推動作用。

「大連光源」未來還有哪些發展趨勢？

目前建成的這一裝置只是「大連光源」的一期項目，之後，科學家希望能建成一個更為先進的二期項目。與一期項目相比，二期項目最大的不同就在於重複頻率的提高。重複頻率指的是光源在單位時間內發出的脈衝的數量。這個數量越高，就意味著科學家在同樣時間內獲得的實驗數據就會越多，當然，實驗效率就會越高。例如，探測一個化學反應過程，如果每秒鐘只能拍到10張照片，獲得的影像就非常卡頓；如果每秒鐘能拍到上萬張照片，獲得的就是超高清晰的動態影像。因此，英國《自然》雜誌又把高重複頻率的自由電子激光稱為科學家的「高速攝像機」。未來的「大連光源」二期項目，重複頻率將從現在的50赫茲提高到一百萬赫茲。這將成為人類科技發展歷程中又一次里程碑式的進步。我們相信，有了一期項目這麼紮實的基礎，二期項目一定也能成為世界上技術最為領先的先進光源。到那個時候，我們國家在全世界極紫外自由電子激光領域將佔據不可或缺的重要地位。這將極大地推動我國相關領域科技水平的提升，為早日實現中華民族偉大復興的「中國夢」貢獻自己的力量。