峰值亮度達(dá)太陽(yáng)光的一萬(wàn)萬(wàn)億倍，我國(guó)大連相干光源是如何做到的？

我是中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員楊學(xué)明。“大連相干光源”的全稱是“基于可調(diào)極紫外相干光源的綜合實(shí)驗(yàn)研究裝置”，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。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，我來(lái)回答一下大家關(guān)心的這個(gè)問(wèn)題。

我們“大連相干光源”名字中的“相干”兩個(gè)字，表明了它的核心特征。普通光源（如燈泡）發(fā)出的光，就像一群隨意散步的人，朝各個(gè)方向行走，步伐（相位）雜亂無(wú)章，這種光被稱為“非相干光”。相干光源發(fā)出的光，則像一支訓(xùn)練有素的儀仗隊(duì)，所有人的步伐（相位）高度一致，朝一個(gè)方向前進(jìn)，節(jié)奏穩(wěn)定，這種光就是激光。

“大連相干光源”是我國(guó)第一臺(tái)大型自由電子激光科學(xué)研究用戶裝置，也是世界上唯一工作在極紫外波段的“自由電子激光”用戶裝置，還是世界上最亮的可調(diào)諧極紫外光源，堪稱獨(dú)一無(wú)二的存在。

大連相干光源有最亮的“閃光燈”，峰值功率的亮度是太陽(yáng)光的一萬(wàn)萬(wàn)億倍！有最快的“快門(mén)”，出光長(zhǎng)度能達(dá)到飛秒、皮秒，不但能讓分子、原子無(wú)處遁形，還能給它們“拍超快電影”，將物理化學(xué)反應(yīng)的全過(guò)程動(dòng)態(tài)記錄下來(lái)。

自由電子激光是如何產(chǎn)生的？為何能達(dá)到驚人的亮度？

自由電子激光是近年來(lái)國(guó)際科技界飛速發(fā)展的一類重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，其特點(diǎn)是激光波長(zhǎng)和脈沖結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。自由電子激光是通過(guò)相對(duì)論電子束與周期性磁場(chǎng)（波蕩器）的相互作用實(shí)現(xiàn)受激輻射放大，其峰值亮度由電子束能量、磁場(chǎng)強(qiáng)度及周期長(zhǎng)度共同決定。這種機(jī)制突破了傳統(tǒng)同步輻射光源的亮度限制，理論上可實(shí)現(xiàn)更高能量轉(zhuǎn)換效率。

自由電子激光與第三代同步輻射光源相比，峰值亮度高8-10個(gè)量級(jí)，光脈沖短3個(gè)量級(jí)，相干性提高3個(gè)量級(jí)以上，具有超高亮度、超短脈沖、全相干等優(yōu)異特性，大大提高了實(shí)驗(yàn)研究的時(shí)間和空間分辨率。科學(xué)家借助這些優(yōu)異性能，可以在全新的時(shí)間尺度和空間尺度上理解自然過(guò)程，特別是直接觀測(cè)到電子的動(dòng)態(tài)過(guò)程、分子結(jié)構(gòu)及演化、物質(zhì)相變等現(xiàn)象，從而徹底開(kāi)辟一個(gè)從未被探索的世界。

世界上唯一的極紫外波段的“自由電子激光”裝置

在大連相干光源建成以前，世界上沒(méi)有一臺(tái)工作在極紫外區(qū)域的用于科研的自由電子激光器，其他高增益自由電子激光裝置都集中在X射線區(qū)域。極紫外區(qū)域光源是探測(cè)分子、原子及其外殼層電子結(jié)構(gòu)最重要的光子能量區(qū)域，是對(duì)分子進(jìn)行激發(fā)和軟電離最有效的光源，有助于科學(xué)家在分子水平上開(kāi)展一系列重大科學(xué)問(wèn)題研究，對(duì)于能源、化學(xué)、物理、材料等領(lǐng)域具有非常重要的作用。對(duì)此，美國(guó)《科學(xué)》雜志曾報(bào)道稱，“一個(gè)獨(dú)特的自由電子激光實(shí)驗(yàn)室在中國(guó)建成”。

“大連相干光源”主體光源裝置主要由加速器、波蕩器、光束線及實(shí)驗(yàn)站等部分組成。目前，大連相干光源擁有了兩條獨(dú)立可調(diào)諧的極紫外（50-150納米）波蕩器束線，可以同時(shí)為兩個(gè)不同的用戶供光，實(shí)現(xiàn)“兩翼齊飛”的運(yùn)行模式，大大提高了工作效率。

大連相干光源的應(yīng)用領(lǐng)域和成果

前面咱們也有提到，大連相干光源被形象地喻為“照亮物質(zhì)微觀世界的超亮超快的閃光燈”，這一“閃光燈”可準(zhǔn)確捕捉到分子、原子等微觀粒子在化學(xué)反應(yīng)中的動(dòng)態(tài)影像，實(shí)現(xiàn)了從為分子、原子“拍照片”到“拍電影”的跨越，這在以往是難以想象的。結(jié)合傳統(tǒng)激光技術(shù)以及離子成像技術(shù)，科研人員依托大連相干光源，發(fā)展了一系列先進(jìn)的高靈敏度探測(cè)方法，在眾多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，比如：

1、星際化學(xué)

原子分子與光的相互作用貫穿宇宙演化的整個(gè)過(guò)程，極紫外光驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)是宇宙分子演化以及星云和行星形成的重要驅(qū)動(dòng)力。開(kāi)展星際中分子光化學(xué)反應(yīng)的研究，對(duì)理解生命起源等星際化學(xué)核心問(wèn)題有重要意義。

2、能源環(huán)境

能源是制約我國(guó)未來(lái)發(fā)展的最為重要的因素之一，大氣環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的基本條件。因此，利用可調(diào)高亮度極紫外光源，可以實(shí)時(shí)靈敏地探測(cè)能源催化、環(huán)境污染相關(guān)過(guò)程中關(guān)鍵反應(yīng)中間體和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)演變，打開(kāi)化學(xué)反應(yīng)的黑匣子，將具有變革性意義。

3、生物醫(yī)藥

生命物質(zhì)分子的微觀結(jié)構(gòu)決定了生物體的宏觀特性和功能。利用高亮度極紫外光源，開(kāi)展蛋白質(zhì)組學(xué)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的紫外激光解離研究，能夠有效研究藥物分子與蛋白質(zhì)等生命物質(zhì)大分子相互作用，從而為藥物研發(fā)提供技術(shù)支撐。

整體來(lái)講，作為世界上唯一工作在極紫外波段的“自由電子激光”裝置，憑借超高亮度、超短脈沖和全相干等優(yōu)異特性，已經(jīng)成為星際化學(xué)、能源環(huán)境以及生物醫(yī)藥等多個(gè)前沿基礎(chǔ)研究領(lǐng)域獨(dú)特且不可或缺的利器。

來(lái)源：騰訊太空

編輯：endlesscliff

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