日前，以中國科學(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，這意味著我國在極紫外波段自由電子激光的研制方面走在了世界前列。

?

隨著人類對自然界的認(rèn)識(shí)不斷深入，我們已經(jīng)知道與人類生活息息相關(guān)的很多物理和化學(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，我們就需要在實(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所涉及到原子和分子。

?

自19世紀(jì)以來，電和電磁波不僅成為人類社會(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麥克風(fēng)和攝像頭等轉(zhuǎn)換成電信號，然后進(jìn)行處理和傳輸。同樣，如要探測物質(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，最直接的方法就是把原子或分子中的電子打出來，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器上，就會(huì)形成電信號，這樣的方法使得我們可以更加靈敏地探測原子、分子及自由基。此外，通過探測打出來的電子，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。

?

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，波長越短，光子的能量就越高。可見光的波長大致處于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，而波長小于可見光的紫外光因?yàn)楣庾幽芰扛?，就?huì)對人體產(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。

?

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)。我們常用的無線信號，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）。這時(shí)，由于相對論效應(yīng)，電子的速度與光速非常接近。我們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的作用下，就會(huì)按照激光的波長在空間重新分布（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（即波蕩器）。

根據(jù)電磁學(xué)原理，電子在周期性磁場中會(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。如果我們適當(dāng)?shù)剡x擇周期性磁場的強(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。

?

為了實(shí)現(xiàn)國際領(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“無處遁形”，因此是研究與原子分子過程相關(guān)的物理和化學(xué)科學(xué)問題的強(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)在國際上獨(dú)具特色的，不可替代的研究平臺(tái)。