中國研制成功世界最亮極紫外光源

谷業凱+戴東旭

日前，由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制的極紫外自由電子激光裝置——“大連光源”，發出了世界上最強的極紫外自由電子激光脈沖，單個皮秒激光脈沖產生140萬億個光子，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光源，也是當今世界發達國家競相發展的重要方向，在科學研究、國防科技發展中有著重要的應用前景。

光子本身帶有能量，波長越短，光子的能量就越高。而當光的波長短到約100納米時，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它們打碎，這個波段的光稱為極紫外光。但是由于在科學實驗中，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的原子和分子，因此，極紫外激光也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。

“大連光源”由加速器、波蕩器和光束線站三部分構成。先由時間寬度為幾個皮秒的脈沖激光（驅動激光）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作用下，就會按照激光的波長在空間重新分布（調制），然后讓被調制的電子束繼續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。途中各處發射的光會疊加增強，同時電子自身輻射的光也在調制電子自己的空間分布，從而使得電子更加強烈地輻射光線，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并達到飽和，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、極紫外光光刻、生物分子結構及動力學、大氣霧霾化學等領域應用廣泛。例如，“利用‘大連光源的極紫外軟電離技術，可以研究霧霾的生長過程，從根本上理解霧霾形成的機理，為大氣污染防治提供科學依據。”