大連光源: 給分子原子「拍電影」

原標題：大連光源： 給分子原子「拍電影」

　　1月13日，中科院大連化學物理研究所科研人員在調試「大連光源」儀器設備。新華社發

　　1月15日，中國科學院研製的「大連光源」發出世界上最強的極紫外自由電子雷射脈衝，單個皮秒雷射脈衝產生140萬億個光子，成為世界上最亮且波長完全可調的極紫外自由電子雷射光源。

　　又一項「世界之最」的科學工程在中國誕生了。

　　日前，由中國科學院大連化學物理研究所（下稱大連化物所）和上海應用物理研究所（下稱上海應物所）聯合研製的極紫外自由電子雷射裝置——「大連光源」，發出了世界上最強的極紫外自由電子雷射脈衝，單個皮秒雷射脈衝包含了140萬億個光子。

　　從去年9月底安裝完成首次出光之後，經過3個多月的調試後，總長100米的大連光源終於成為了世界上最亮且波長完全可調的極紫外自由電子雷射光源。那麼這臺自由電子雷射裝置是幹什麼用的？它為什麼能產生如此的強光？

　　獨門絕技

　　能讓分子原子「無處遁形」

　　「隨著人類對自然界的認識不斷深入，我們已經知道與人類生活息息相關的很多物理和化學過程在本質上都是原子和分子過程。」中科院大連化物所分子反應動力學國家重點實驗室研究員戴東旭舉例說，比如臭氧層空洞的形成涉及到大氣上層臭氧分子（O3）的淬滅機制，霧霾的形成涉及到汙染物分子（SO2、CO等）聚集過程，燃燒過程涉及到氧原子或氧分子與其他分子的反應等一系列過程。要控制或利用這些物理和化學過程，我們就需要在實驗室裡研究這些過程所涉及到的原子和分子的反應機制，因此就需要精確並且高靈敏度地探測所涉及到的原子和分子。

　　自由電子雷射光源提供了高亮度的光源，能夠用來精確並且高靈敏度地探測原子和分子。

　　近代物理證明，光的本質是電磁波，同時也是粒子，光子本身帶有能量，波長越短，光子的能量就越高。可見光的波長大致處於400—700納米之間（1納米等於10億分之一米），其光子能量可以刺激人的視覺細胞產生信號，而波長小於可見光的紫外光因為光子能量高，就會對人體產生危害，比如UVA（320—400納米）和UVB（270—320納米）紫外光。而當波長短到100納米左右時，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分子打碎，這個波段的光稱為極紫外光。

　　不僅能拍照，還能「拍電影」

　　「由於在科學實驗中，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個需求，必須要有高亮度的極紫外光源，即極紫外雷射。」戴東旭說，極紫外光具有的能夠電離幾乎所有的組成普通物質的原子和分子的特性，使得它無法在普通物質（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，極紫外雷射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。

　　中科院上海應物所所長趙振堂研究員說，第三代光源，比如上海光源，其峰值亮度相當於太陽光的百億倍。而大連光源屬於第四代光源，其峰值亮度相當於第三代光源的百億倍。與以前我國研製的光源相比，大連光源不僅能夠像以前的光源那樣給分子原子拍照片，而且能給分子原子「拍電影」。它是一個動態的研究工具，能解決分子動力學的許多問題。

　　大連光源的光子能量並不是最高的，但對研究分子、原子化學反應動力學來說卻是最合適的——它有極紫外波段最亮的「閃光燈」，有超快的「快門」，其出光脈衝長度能達到飛秒和皮秒量級。

　　大連光源是我國第一臺大型自由電子雷射科學研究用戶裝置（而非樣機），是當今世界上唯一運行在極紫外波段的自由電子雷射裝置，也是世界上最亮的極紫外光源。

　　實驗平臺

　　可用於下一代EUV光刻技術

　　自由電子雷射是國際上最先進的新一代光源，也是當今世界發達國家競相發展的重要方向，在科學研究、先進技術、國防科技發展中有著重要的應用前景。先進自由電子雷射的發展在前沿科學研究中發揮著越來越重要的作用，特別是近10年來，自由電子雷射技術的發展和突破為探索未知物質世界、發現新科學規律、實現技術變革提供了前所未有的研究工具。

　　「我們希望大連光源這臺自由電子雷射裝置能夠推動我國基礎科學研究的發展，推動我國分子科學、化學、能源等學科和技術的進步。」大連化物所副所長楊學明院士表示。

　　近幾十年來，半導體晶片技術的快速發展主要依賴於雷射光刻技術。而高強度的短波長光源是推動半導體器件向更小尺寸發展的關鍵。大連光源能夠提供最低50納米波長的極紫外光源，可以用於下一代EUV光刻技術的基礎性研究。

　　助力潔淨能源與大氣機理研究

　　「能源是制約我國未來發展的最為重要的因素之一。要解決我國未來的能源問題，我們一方面要更加有效地利用現在已有的能源；另一方面也要發展新的潔淨能源。」中科院大連化物所張未卿研究員說，要達到這兩個重要的目標，與能源相關的物理化學基礎研究是非常關鍵和重要的研究領域。

　　當今世界90%的能源需求都是由燃燒提供的，隨之而來的就是產生了大量的汙染。科學家需要對燃燒化學的反應機理做深入研究，進而為提升燃燒效率減少汙染提供理論支撐。提高燃燒效率是燃燒化學的主要研究內容，並且也是提高能源利用效率和降低環境汙染的根本要求。

　　這個冬天肆虐全國多個地區的霧霾成了全社會關注的熱點。嚴重的霾天天氣從華北逐步漫延到西北東部和華中地帶，給人民群眾的健康帶來了極大的危害。現在科學家對於霾的成因有了一定的認識，主要是燃燒排放、汽車尾氣排放等。但霾在空氣中形成的過程中，還會有光化學反應等。目前對它的形成機理科學家們還沒有完全搞清楚。

　　利用大連光源，有助於科學家對霾的研究。大氣中的化學物質與水分子作用後，形成分子團簇，這些團簇在生長過程中吸附大氣中各種汙染分子，生長為較大的氣溶膠顆粒，並逐漸成長為霾。利用大連光源極紫外軟電離技術，就可以研究霾的生長過程，從根本上理解霾形成的機理，為大氣汙染防治提供科學依據。

　　戴東旭研究員說，科學家在研製大連光源的同時，還配套研製了一系列具有國際先進水平的，用於研究與燃燒、大氣以及潔淨能源相關的物理化學過程的實驗站，從而使得大連光源綜合實驗裝置成為一個在相關研究領域、在國際上獨具特色的、不可替代的研究平臺。

　　定向研製

　　用戶需求驅動項目「上馬」

　　大連光源項目是國家自然科學基金委國家重大儀器專項資助的第一個經費過億的項目。

　　與北京譜儀、上海光源等大型科學設備不同的是，大連光源是以科學目標為驅動而研製的。就是由科學家團隊（主要是大連化物所楊學明院士團隊）提出需要，由上海應物所按照科學家團隊的需要而「定向研製」的。而以前的這類光源裝置基本都是先建好裝置，然後再去尋找用戶，看它能為誰的研究提供服務。

　　上海應物所所長趙振堂認為，打破研究所之間的藩籬，整合研究所的力量，集各家之長來建大科學裝置，是投入產出比最小、效率最高的一種方式。

　　對於大連光源，中國科學院副院長王恩哥給予了極高的評價：「大連光源是中科院乃至我國的又一項具有極高顯示度的重大科技成果。裝置中90%的儀器設備均由我國自主研發，標誌著我國在這一領域佔據了世界領先地位，為我國未來發展更新一代的高重複頻率極紫外自由電子雷射打下了堅實的基礎。」

　　相關連結

　　大連光源的那些「前輩」們

　　合肥光源

　　1983年4月，中科大國家同步輻射實驗室正式立項，建設我國第一臺專用同步輻射光源，被稱為「合肥光源」。1989年合肥光源建成，並發出中國第一束「神奇之光」。利用「合肥光源」，我國首次完成探月衛星「嫦娥一號」太陽風離子探測器正機的實驗標定和測試，首次獲得了X射線全息圖樣等。

　　上海光源

　　1999年，「上海光源」項目預研工作正式啟動，2009年建成投入運行。「上海光源」其實就相當於一臺巨型的「超級顯微鏡」，它可以給微觀世界，例如花草樹木的呼吸過程、人體蛋白質分子活動等，拍攝高清晰度的科學照片。「上海光源」建成後，出光的穩定性始終保持良好，為中國科學家進一步拓寬了探索視界。

(責編：魏豔、趙竹青)