15日，由中國(guó)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“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。

 “這是中國(guó)科學(xué)院乃至我國(guó)的又一項(xiàng)具有極高顯示度的重大科技成果。”中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)王恩哥介紹，裝置中90％的儀器設(shè)備均由我國(guó)自主研發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)在這一領(lǐng)域占據(jù)了世界領(lǐng)先地位，為國(guó)家未來發(fā)展更新一代的高重復(fù)頻率極紫外自由電子激光打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 大連化物所研究院張未卿告訴記者，大連化物所從2016年9月開始調(diào)試及紫外光，調(diào)試第一天就有了波蕩器出光，說明了設(shè)備的安裝沒有問題，之后要調(diào)試的就是極紫外光。

 調(diào)試的過程很辛苦，也遇到了一些困難。“調(diào)試的時(shí)候，種子激光和電子束要在空間、時(shí)間上都重疊在一起，才會(huì)發(fā)生作用，但他們的速度是以皮秒（1皮秒 ＝ 1萬億分之一秒）計(jì)算的，所以非常困難。在調(diào)試中，還出現(xiàn)過光線被擋住的情況，工作人員要在100米長(zhǎng)的機(jī)器上逐段排查，找出擋光的原因。”張未卿說，幾個(gè)月的時(shí)間，機(jī)器一直不停運(yùn)轉(zhuǎn)，全體工作人員輪班倒，為了盡快調(diào)出所需要的極紫外光源，通宵熬夜工作成了家常便飯。

 什么是極紫外光？

 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?？梢姽獾牟ㄩL(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細(xì)胞產(chǎn)生信號(hào)，而波長(zhǎng)小于可見光的紫外光因?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法滿足這個(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，所以極紫外光也稱為真空紫外光。因此，極紫外激光無法在普通物質(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。

 據(jù)介紹，大連光源是當(dāng)今世界上唯一工作在極紫外波段的自由電子激光用戶裝置，大連光源也將成為當(dāng)今世界上在極紫外波段最強(qiáng)的自由電子激光。

 如何輸出極紫外光？

 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，尤其是來回變向跑動(dòng)（振蕩）的電子輻射電磁波能力非常強(qiáng)。常用的無線信號(hào)，無論是電視還是手機(jī)，都是通過驅(qū)使電子在天線里來回振蕩發(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。再用另一束皮秒或者亞皮秒時(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。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。如果適當(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，從而輸出極紫外光。

 極紫外光讓原子分子“無處遁形”

 很多物理和化學(xué)過程在本質(zhì)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(jī)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(yīng)等一系列過程。要控制或利用這些物理和化學(xué)過程，就需要在實(shí)驗(yàn)室里研究這些過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。

 在極紫外光照射下的區(qū)域內(nèi)，幾乎所有的原子和分子都“無處遁形”。比如霧霾，大氣中的化學(xué)物質(zhì)與水分子作用后，形成分子團(tuán)簇，這些團(tuán)簇在生長(zhǎng)過程中吸附大氣中各種污染分子以及水分子，生長(zhǎng)為較大的氣溶膠顆粒，并逐漸成長(zhǎng)為霧霾。大連光源能夠解析大氣化學(xué)中性團(tuán)簇的精細(xì)結(jié)構(gòu)，揭示大氣中氣溶膠的成核動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

 世界上90％的能源來自于燃燒，高效利用能源以及減少污染排放是重要的世界性問題。極紫外光可利用單光子電離的方法靈敏探測(cè)燃燒中間反應(yīng)步驟和中間體的理想光源，為闡明燃燒過程中的化學(xué)機(jī)理提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 王恩哥說，當(dāng)今世界，大科學(xué)工程對(duì)于科技的發(fā)展起著越來越重要的推動(dòng)作用。“大連光源”的建成出光，成為我國(guó)大科學(xué)工程的又一成功范例，也必將大大促進(jìn)我國(guó)在能源、化學(xué)、物理、生物、材料、大氣霧霾、光刻等多個(gè)重要領(lǐng)域研究水平的提升，為我國(guó)的科技事業(yè)注入了新的活力。

 大連化物所副所長(zhǎng)楊學(xué)明希望，大連光源能夠推動(dòng)技術(shù)研究的發(fā)展，用電子極紫外光源來推動(dòng)分子科學(xué)，以及化學(xué)、能源等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。