中国研制成功世界最亮极紫外光源

谷业凯+戴东旭

日前，由中国科学院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所联合研制的极紫外自由电子激光装置——“大连光源”，发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲，单个皮秒激光脉冲产生140万亿个光子，这套总长100米的装置成为世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。

自由电子激光是国际上最新一代先进光源，也是当今世界发达国家竞相发展的重要方向，在科学研究、国防科技发展中有着重要的应用前景。

光子本身带有能量，波长越短，光子的能量就越高。而当光的波长短到约100纳米时，一个光子所具备的能量就足以电离一个原子或分子而又不会把它们打碎，这个波段的光称为极紫外光。但是由于在科学实验中，需要探测的原子或分子数量可能非常少，存在时间也非常短，普通的极紫外光源无法满足这一需求，因此必须要有高亮度的极紫外光源，即极紫外激光。极紫外激光能电离几乎所有组成普通物质的原子和分子，因此，极紫外激光也无法在普通物质中产生和放大，只能在“特殊物质”中产生，这个“特殊物质”就是脱离原子核而单独存在的自由状态的电子。

“大连光源”由加速器、波荡器和光束线站三部分构成。先由时间宽度为几个皮秒的脉冲激光（驱动激光）在光阴极上打出一簇高密度的脉冲电子，再利用直线加速器將这个脉冲电子束加速到3亿电子伏特的能量，电子的速度与光速非常接近。另一束皮秒或者相近时间宽度的强激光（种子激光）照射在这个高能电子束上，电子束中的电子在种子激光的作用下，就会按照激光的波长在空间重新分布（调制），然后让被调制的电子束继续穿越一系列周期性变化的磁场。电子在周期性磁场中就会一边以光速向前飞行，一边左右摆动，向前辐射出光线。途中各处发射的光会叠加增强，同时电子自身辐射的光也在调制电子自己的空间分布，从而使得电子更加强烈地辐射光线，适当地选择周期性磁场的强度，就会使得种子激光中的某个谐波成分按照前述方式急剧地自激放大并达到饱和，从而输出极紫外激光。

“大连光源”具有最亮的“闪光灯”、最快的“快门”，能让分子、原子“无处遁形”，在燃烧化学、极紫外光光刻、生物分子结构及动力学、大气雾霾化学等领域应用广泛。例如，“利用‘大连光源的极紫外软电离技术，可以研究雾霾的生长过程，从根本上理解雾霾形成的机理，为大气污染防治提供科学依据。”