日前，以中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所為依托單位，上海應(yīng)用物理研究所為合作單位，由國(guó)家自然科學(xué)基金委資助的“基于可調(diào)極紫外相干光源綜合實(shí)驗(yàn)裝置”——大連光源調(diào)試出光，輸出光脈沖光子數(shù)達(dá)到140萬(wàn)億個(gè)，成為單脈沖世界上最亮的可調(diào)極紫外光源，這意味著我國(guó)在極紫外波段自由電子激光的研制方面走在了世界前列。

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隨著人類(lèi)對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)不斷深入，我們已經(jīng)知道與人類(lèi)生活息息相關(guān)的很多物理和化學(xué)過(guò)程在本質(zhì)上都是原子和分子過(guò)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(jī)制，霧霾的形成涉及到污染物分子（SO2、CO 等）聚集過(guò)程，燃燒過(guò)程涉及到氧原子或氧分子與其它分子的反應(yīng)等一系列過(guò)程。要控制或利用這些物理和化學(xué)過(guò)程，我們就需要在實(shí)驗(yàn)室里研究這些過(guò)程所涉及到的原子和分子的反應(yīng)機(jī)制，因此就需要精確并且高靈敏度地探測(cè)所涉及到原子和分子。

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自19世紀(jì)以來(lái)，電和電磁波不僅成為人類(lèi)社會(huì)最重要的輸送和使用能源的形式，而且也成為了人類(lèi)認(rèn)識(shí)和感知物質(zhì)世界的最重要的媒介和手段。例如，現(xiàn)在人們都是把聲音和圖像通過(guò)麥克風(fēng)和攝像頭等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后進(jìn)行處理和傳輸。同樣，如要探測(cè)物質(zhì)世界中的原子和分子，最關(guān)鍵的就是要將所要探測(cè)的物質(zhì)世界中的原子或分子中的相關(guān)信息變成易于識(shí)別和處理的電信號(hào)，最直接的方法就是把原子或分子中的電子打出來(lái)，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(cè)器上，就會(huì)形成電信號(hào)，這樣的方法使得我們可以更加靈敏地探測(cè)原子、分子及自由基。此外，通過(guò)探測(cè)打出來(lái)的電子，我們還可以得到原子分子以及物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)信息，進(jìn)而在原子分子層次上探索物質(zhì)世界的奧秘。

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近代物理證明，光的本質(zhì)是電磁波，同時(shí)也是粒子，光子本身帶有能量，波長(zhǎng)越短，光子的能量就越高?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)大致處于400~700納米之間（1納米等于10億分之一米），其光子能量可以刺激人的視覺(jué)細(xì)胞產(chǎn)生信號(hào)，而波長(zhǎng)小于可見(jiàn)光的紫外光因?yàn)楣庾幽芰扛?，就?huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，比如 UVA （320~ 400納米）和 UVB （270 ~ 320納米）紫外光。而當(dāng)波長(zhǎng)短到100納米附近時(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(huì)把分子打碎，這個(gè)波段的光稱(chēng)為極紫外光。由于在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要探測(cè)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(wú)法滿(mǎn)足這個(gè)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(zhì)的原子和分子的特性使得它無(wú)法在普通物質(zhì)（包括空氣）中傳播，只能在真空中傳播，所以極紫外光也稱(chēng)為真空紫外光。因此，極紫外激光無(wú)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。

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根據(jù)電動(dòng)力學(xué)原理，加速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)向外輻射電磁波，尤其是來(lái)回變向跑動(dòng)（振蕩）的電子輻射電磁波能力非常強(qiáng)。我們常用的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，無(wú)論是電視還是手機(jī)，都是通過(guò)驅(qū)使電子在天線(xiàn)里來(lái)回振蕩發(fā)射電磁波。在大連極紫外相干光源中，時(shí)間寬度為幾個(gè)皮秒（1皮秒 = 1萬(wàn)億分之一秒）的脈沖激光（驅(qū)動(dòng)激光）在光陰極上打出一簇高密度的脈沖電子，利用直線(xiàn)加速器將這個(gè)脈沖電子束加速到3億電子伏特的能量（這相當(dāng)于讓電子穿越3億伏的超高壓電場(chǎng)）。這時(shí)，由于相對(duì)論效應(yīng)，電子的速度與光速非常接近。我們?cè)儆昧硪皇っ牖蛘邅喥っ霑r(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電磁場(chǎng)的作用下，就會(huì)按照激光的波長(zhǎng)在空間重新分布（調(diào)制），其中含有豐富的諧波成分。然后讓空間分布被調(diào)制的電子束繼續(xù)穿越一系列周期性變化的磁場(chǎng)（即波蕩器）。

根據(jù)電磁學(xué)原理，電子在周期性磁場(chǎng)中會(huì)一邊以光速向前飛行，一邊左右擺動(dòng)，這樣電子就會(huì)向前輻射出光線(xiàn)。由于電子飛行的速度和光速非常接近，電子在飛行途中各處發(fā)射的光會(huì)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(xiàn)。如果我們適當(dāng)?shù)剡x擇周期性磁場(chǎng)的強(qiáng)度，就會(huì)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，從而輸出我們需要的極紫外激光。

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為了實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先的技術(shù)指標(biāo)，大連光源采取了一系列先進(jìn)的技術(shù)，包括引入雙饋入電子直線(xiàn)加速管、楔形波蕩器技術(shù)等。自行設(shè)計(jì)和搭建的驅(qū)動(dòng)激光的整形系統(tǒng)及其穩(wěn)定性達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。為了保證整個(gè)極紫外相干光源的穩(wěn)定運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)所在建筑的防輻射性能、地基的防振性、激光器超凈間溫濕度的恒定性和電子加速器冷卻水溫度的穩(wěn)定性都達(dá)到了極高的標(biāo)準(zhǔn)。建成以后，大連光源將成為當(dāng)今世界上在極紫外波段最強(qiáng)的自由電子激光，在這樣的極紫外光照射下的區(qū)域內(nèi)，幾乎所有的原子和分子都“無(wú)處遁形”，因此是研究與原子分子過(guò)程相關(guān)的物理和化學(xué)科學(xué)問(wèn)題的強(qiáng)有力的利器。大連光源綜合實(shí)驗(yàn)裝置還以極紫外相干光源為依托，配套研制了一系列具有國(guó)際先進(jìn)水平的，用于研究與燃燒、大氣以及潔凈能源相關(guān)的物理化學(xué)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)站，使得該裝置成為相關(guān)研究領(lǐng)域的一個(gè)在國(guó)際上獨(dú)具特色的，不可替代的研究平臺(tái)。