大連光源   本報(bào)記者劉萬(wàn)生攝

■本報(bào)記者 丁佳

大連光源出光了。

1月15日，由中科院大連化學(xué)物理研究所和上海應(yīng)用物理研究所聯(lián)合研制的極紫外自由電子激光裝置——大連光源，在經(jīng)過3個(gè)多月的調(diào)試后，這個(gè)總長(zhǎng)100米的大裝置發(fā)出了世界上最強(qiáng)的極紫外自由電子激光脈沖，單個(gè)皮秒激光脈沖產(chǎn)生140萬(wàn)億個(gè)光子，成為世界上最亮且波長(zhǎng)完全可調(diào)的極紫外自由電子激光光源。

中科院副院長(zhǎng)王恩哥評(píng)價(jià)稱：“大連光源是中科院乃至我國(guó)的又一項(xiàng)具有極高顯示度的重大科技成果。裝置中90%的儀器設(shè)備均由我國(guó)自主研發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)在這一領(lǐng)域占據(jù)了世界領(lǐng)先地位，為我國(guó)未來發(fā)展更新一代的高重復(fù)頻率極紫外自由電子激光打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”

給分子“拍個(gè)電影”

自由電子激光是國(guó)際上最先進(jìn)的新一代先進(jìn)光源，也是當(dāng)今世界先進(jìn)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的重要方向，在科學(xué)研究、先進(jìn)技術(shù)、國(guó)防科技發(fā)展中有著重要的應(yīng)用前景。先進(jìn)自由電子激光的發(fā)展在前沿科學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是近十年來，自由電子激光技術(shù)的發(fā)展和突破為探索未知物質(zhì)世界、發(fā)現(xiàn)新科學(xué)規(guī)律、實(shí)現(xiàn)技術(shù)變革提供了前所未有的研究工具。

“自由電子激光能夠給分子‘拍電影’，比如記錄化學(xué)鍵斷裂的動(dòng)態(tài)過程，具有非常誘人的應(yīng)用前景。”中科院上海應(yīng)物所所長(zhǎng)趙振堂說。

而要拍好這部“電影”，離不開神奇的極紫外光。

當(dāng)波長(zhǎng)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。

“在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要探測(cè)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(wú)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。”中科院大連化物所分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員戴東旭解釋稱，“極紫外激光只能在‘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。”

但是，一臺(tái)運(yùn)行在極紫外波段的自由電子激光設(shè)備在世界上尚屬空白。

這讓科學(xué)家感到，中國(guó)的機(jī)會(huì)來了。

中國(guó)第一 世界最亮

在國(guó)家自然科學(xué)基金委國(guó)家重大儀器專項(xiàng)資助下，由大連化物所和上海應(yīng)物所聯(lián)合研制的大連光源項(xiàng)目于2012年初正式啟動(dòng)，2014年10月正式在大連長(zhǎng)興島開工建設(shè)，并于2016年9月底安裝完成，首次出光。

至此，大連光源成為我國(guó)第一臺(tái)大型自由電子激光科學(xué)研究用戶裝置，是當(dāng)今世界上唯一運(yùn)行在極紫外波段的自由電子激光裝置，也是世界上最亮的極紫外光源。

光源的每一個(gè)激光脈沖可產(chǎn)生超過100萬(wàn)億個(gè)光子，波長(zhǎng)可在極紫外區(qū)域完全連續(xù)可調(diào)，具有完全的相干性；該激光可以工作在飛秒或皮秒脈沖模式，可以用自放大自發(fā)輻射或高增益諧波放大模式運(yùn)行。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(wú)處遁形”。

“大連光源屬于第四代光源，在化學(xué)、能源、物理、生物、環(huán)境等重要研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，我國(guó)率先建成這一先進(jìn)光源，對(duì)推動(dòng)我國(guó)乃至世界在這些領(lǐng)域的研究發(fā)展有著極其重要的意義。”中科院院士、中科院大連化物所副所長(zhǎng)楊學(xué)明說，“大連光源的成功研制也為我國(guó)未來發(fā)展X波段的自由電子激光打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”

例如，舉國(guó)關(guān)注的霧霾問題，就可以利用大連光源來研究。大氣中的化學(xué)物質(zhì)與水分子作用后，形成分子團(tuán)簇，這些團(tuán)簇在生長(zhǎng)過程中吸附大氣中各種污染分子，生長(zhǎng)為較大的氣溶膠顆粒，并逐漸成長(zhǎng)為霧霾。利用大連光源極紫外軟電離技術(shù)，就可以研究霧霾的生長(zhǎng)過程，從根本上理解霧霾形成的機(jī)理，為大氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

在王恩哥看來，在當(dāng)今世界，大科學(xué)工程對(duì)于科技發(fā)展起著越來越重要的推動(dòng)作用。大連光源的建成出光，成為我國(guó)大科學(xué)工程的又一成功范例，將大大促進(jìn)我國(guó)在能源、化學(xué)、物理、生物、材料、大氣霧霾、光刻等多個(gè)重要領(lǐng)域研究水平的提升，為我國(guó)科技事業(yè)注入新的活力。

一次握手 造就典范

大連光源正式開工建設(shè)以來，在兩年的時(shí)間里完成了基建工程以及主體光源裝置的研制，并且在很短的時(shí)間內(nèi)調(diào)試成功產(chǎn)生了世界上單脈沖最亮的極紫外激光，創(chuàng)造了我國(guó)同類大型科學(xué)裝置建設(shè)的新記錄。

這一項(xiàng)目也開創(chuàng)了我國(guó)科學(xué)研究專家與大科學(xué)裝置研制專家成功合作的先例，對(duì)于未來加快推動(dòng)大科學(xué)裝置在科學(xué)研究中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

以科學(xué)目標(biāo)為驅(qū)動(dòng)，讓大連光源成為我國(guó)大科學(xué)裝置研制的典范。趙振堂告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，我國(guó)早期的大科學(xué)裝置，往往都是先建好裝置，再去找用戶，看看哪些科學(xué)家能用。“但是大連光源把這個(gè)過程反了過來，是科學(xué)家先對(duì)科研有了需求，再找到工程團(tuán)隊(duì)來合作。這要求我們?cè)诮ㄑb置之前就充分調(diào)研，開工之前就要掌握裝置的科學(xué)目標(biāo)是什么。”

大連化物所的長(zhǎng)處是科學(xué)研究，而上海應(yīng)物所團(tuán)隊(duì)在大科學(xué)裝置建設(shè)方面積累了20年的經(jīng)驗(yàn)，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)為了相同的夢(mèng)想走到了長(zhǎng)興島，合作順利得出人意料。

“合作、協(xié)同是中科院的優(yōu)良傳統(tǒng)。”趙振堂認(rèn)為，“現(xiàn)在看來，打破研究所之間藩籬，整合各所力量，集各家之長(zhǎng)來建大科學(xué)裝置，是投入產(chǎn)出比最小、效率最高的一種方式。”

接下來，大連化物所以及上海應(yīng)物所的項(xiàng)目專家將進(jìn)一步把大連光源建設(shè)成為高水平的實(shí)驗(yàn)研究用戶裝置，為我國(guó)乃至世界提供一個(gè)獨(dú)特的科學(xué)研究裝置。