「大國重器-中科院重大科技基礎設施」大連相干光源

綜述及基本情況

總體情況

大連相干光源（Dalian Coherent Light Source，DCLS），全稱為「基於可調極紫外相干光源的綜合實驗研究裝置」，是由國家自然科學基金委員會資助，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資助的重大儀器研製項目，坐落於大連市長興島經濟技術開發區。這是我國第一臺自由電子雷射大型用戶裝置，也是世界上唯一工作在極紫外波段的自由電子雷射裝置，是世界上最亮的極紫外光源。

2018年7月12日，大連相干光源正式通過了現場驗收。專家組一致認為，該項目完成了實施方案規定的研製任務，達到了項目預期目標，同意項目通過驗收。

目前，大連相干光源整體運行情況良好，單個脈衝長度為皮秒或百飛秒量級，包含超過 100 萬億（1014）個光子，波長可在整個極紫外區域（50—150 nm）完全連續可調，具有完全的相干性。此外，大連相干光源研發團隊還在世界上首次在種子型自由電子雷射中採用了「taper 波蕩器」技術，使得 HGHG 模式的極紫外雷射脈衝峰值功率達到了 210 μJ，是設計指標的 2 倍。2018年度，大連相干光源總體運行平穩，整體光源性能得到進一步優化，出光品質得到明顯提升，有效保障了科學研究的開展。

總體目標與學術方向

大連相干光源的總體目標是研製一套基於 HGHG 模式的可調極紫外自由電子雷射相干光源的綜合實驗裝置。通過發展具有國際領先水平的 HGHG 模式的可調極紫外相干光源，以及利用這一性能優越光源的實驗研究裝置，將先進相干光源的發展和高靈敏度探測方法的發展緊密結合起來，開發出獨到的探測實驗技術，並且將這些新的實驗方法通過特殊實驗研究裝置的研製，應用於與能源相關的重要基礎物理化學問題的研究。

大連相干光源共有 6 個實驗站正在開展科學研究，分別用於開展光化學、中性水團簇、交叉分子束、氣溶膠、自由基光譜動力學等能源化學領域的研究工作，部分工作已取得較好的進展。2018 年度，發表高水平學術論文 2 篇，光源項目負責人受邀到德國等地開展學術交流並作報告，介紹大連相干光源的建設和運行情況。

大連相干光源的科學目標是緊密圍繞能源化學若干重大科學問題，開展前沿性、基礎性研究，力求在燃燒、表界面催化、團簇結構、大氣霧霾化學等領域取得重要突破。在已經開展的實驗中，科研人員取得了一些重要進展。例如，科研人員利用大連相干光源，在水分子研究方面取得新進展。水是人類重要的生命因素，水無時無刻不在影響著自然界的各類活動，人類生存和社會發展都離不開水。儘管水分子的化學組成簡單，僅是由 1 個氧原子和 2 個氫原子組成，但其存在很多反常的性質，且人類對其在物理、化學、生物學過程中的作用機理知之甚少，如氫鍵的構成等。利用大連相干光源，科研人員對水分子在極紫外波段的光解動力學進行了系統性的研究，發現了罕見的三體解離過程和高振轉分布的產物 · OH 自由基，這些發現將幫助人類理解星際中 · OH 自由基的產生和能級分布。此外，結合紅外光譜技術，科研人員首次測得水中性團簇（三聚體、四聚體、五聚體）的紅外光譜，獲得團簇的結構信息，深入解析了水中氫鍵的構成，這對於理解空氣中水分子的聚集過程（霧霾過程的重要部分）有著重要意義。

作為第一個國際用戶，英國皇家學會院士、Bristol 大學教授 Mike Ashfold 專程到大連相干光源開展了 2 周的實驗數據採集，用於星際化學研究工作，並對大連相干光源的性能給予了高度評價。

研究進展與成果

大連相干光源建成

在國家自然科學基金委員會國家重大科研儀器研製項目支持下，中國科學院大連化學物理研究所楊學明團隊及其合作者於 2018 年成功研製大連相干光源。該裝置是我國第一臺自由電子雷射大型用戶裝置，同時是目前世界上唯一工作在極紫外波段的自由電子雷射裝置，是世界上最亮的極紫外光源。極紫外區域光源是探測分子、原子及其外殼層電子結構最重要的光子能量區域，是對分子進行激發和軟電離最有效的光源，有助於科學家在原子分子水平上開展一系列重大科學問題研究。該裝置中 90％ 的儀器設備均由我國自主研發，標誌著我國在該領域相關技術已達國際先進水平，有望引領全球極紫外自由電子雷射及相關領域的發展。（中國科學院院刊供稿）