中國研制成功世界最亮極紫外光源

谷業(yè)凱+戴東旭

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)皮秒激光脈沖產(chǎn)生140萬億個(gè)光子，這套總長100米的裝置成為世界上最亮且波長完全可調(diào)的極紫外自由電子激光光源。

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。

光子本身帶有能量，波長越短，光子的能量就越高。而當(dāng)光的波長短到約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。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。

“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，就會按照激光的波長在空間重新分布（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。電子在周期性磁場中就會一邊以光速向前飛行，一邊左右擺動，向前輻射出光線。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，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，從而輸出極紫外激光。

“大連光源”具有最亮的“閃光燈”、最快的“快門”，能讓分子、原子“無處遁形”，在燃燒化學(xué)、極紫外光光刻、生物分子結(jié)構(gòu)及動力學(xué)、大氣霧霾化學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如，“利用‘大連光源的極紫外軟電離技術(shù)，可以研究霧霾的生長過程，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)?！?