图① “大连光源”直线加速器前端，该部分能够产生并初步加速电子。
图② “大连光源”电子直线加速器部分。
图③ “大连光源”匹配段部分，用于连接加速器和波荡器。
经济日报记者 李芃达摄
日前，由中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）和上海应用物理研究所（以下简称“上海应物所”）联合研制的极紫外自由电子激光装置——“大连光源”经过3个多月卓有成效的调试之后，终于发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲——单个皮秒激光脉冲可产生140万亿个光子，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。
究竟何为极紫外自由电子激光？该装置又有哪些应用？《经济日报》记者就带您一起，去领略“大连光源”的耀眼风采。
为分子拍电影的摄像机
光的本质是电磁波，同时也是粒子，光子本身带有能量，波长越短，光子的能量就越高。可见光的波长大致处于400到700纳米之间（1纳米等于10亿分之一米），其光子能量可以刺激人的视觉细胞产生信号，而波长小于可见光的紫外光因为光子能量高，会对人体产生危害，比如UVA（320至400纳米）和UVB（270至320纳米）紫外光。“当波长短到100纳米附近时，一个光子所具备的能量就足以电离一个原子或分子，而又不会把分子打碎，这个波段的光称为极紫外光。”大连化物所科研人员戴东旭说。
自19世纪以来，电和电磁波不仅成为人类社会最重要的输送和使用能源的形式，也成为人类认识和感知物质世界最重要的媒介和手段。例如，人们都是把声音和图像通过麦克风和摄像头等转换成电信号，然后进行处理和传输。
同样，要想探测物质世界中的原子和分子，最关键的，就是要将所要探测的物质世界中的原子或分子中的相关信息变成易于识别和处理的电信号。“最直接的方法就是：把原子或分子中的电子打出来，使得原子、分子变成带有正电荷的离子。这种带正电的离子击打在探测器上，就会形成电信号，这样一来，我们便能更加灵敏地探测原子、分子及自由基。”戴东旭介绍说，通过探测打出来的电子，还可以得到物质的结构和动态信息，进而在原子、分子层次上探索物质世界的奥秘。
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个需求，必须要有高亮度的极紫外光源，即极紫外激光。已经建成的大连光源是当今世界上首套运行在极紫外波段的自由电子激光用户装置，也是最亮的极紫外光源。光源的每一个激光脉冲可产生超过100万亿个光子，波长可在极紫外区域完全连续可调，具有良好的相干性；该激光还可以在飞秒或皮秒脉冲模式工作。
如此一来，具有高亮度、超快特性的极紫外自由电子激光，便可轻松“看到”在原子层次上发生的物理、化学、生物反应过程，将物质科学的实验研究由宏观体系深入到单个原子尺度体系、从静态过程上升到超快的动态过程、从理想实验环境下的研究逐步转向真实反应条件下的研究。
“它是一个能够给分子拍电影的工具。”上海应物所所长赵振堂介绍说，极紫外自由电子激光脉冲持续时间足够短，能够捕捉到化学键断裂和形成的过程，大大提高了人类研究物质内部结构的能力。
为研究注活力的自由光
自由电子激光是国际上最先进的新一代光源，近几年，其快速发展带动了许多前沿科学研究的进步。大连光源综合实验装置正是以极紫外自由电子激光为依托，试图在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域有所突破。
“我们希望大连光源的成功能够真正推动基础研究的发展，尤其是利用极紫外光源来攻克分子科学、化学、能源等领域的技术难题。”大连化物所副所长杨学明说。
它为能源利用做好理论指导。
世界上90%以上的能源来自燃烧，在未来许多年，燃烧仍将是主要的能源来源。因此，高效利用能源以及减少污染排放量是重要的世界性问题。在燃烧过程中，分子不是经过单一反应而生成二氧化碳和水，而是经过许多中间步骤以及多个反应中间体。高亮度极紫外自由电子激光利用单光子电离的方法，能够灵敏地探测到这些中间反应步骤和中间体，为阐明燃烧过程中的化学机理提供坚实的基础。
它为光刻技术照亮前进方向。
在过去几十年中，半导体芯片技术的快速发展主要依赖于激光光刻技术。这一技术极大驱动了半导体器件以及集成电路的发展。而高强度的短光波长光源是推动半导体器件向更小尺寸发展的关键，但是，极紫外波长区域的光源并不容易得到。大连相干光源能提供最低50nm波长的极紫外光源，可以用于EUV光刻技术的研究。而更高重复频率的极紫外自由电子激光技术的发展，也有望为今后光刻技术朝着更小尺寸方向迈进提供可靠光源。
它为雾霾治理剖析内在原因。
雾霾已经成为大气环境污染的头号“通缉犯”，给人们的健康和生产生活各方面造成了严重危害，治理和防治大气污染刻不容缓。而如何治理？首先要从根本上理解雾霾的形成和生长机理。
大气中的化学物质与水分子作用后会形成分子团簇，这些团簇在成长过程中，吸附大气中各种污染分子以及水分子，成为较大的气溶胶颗粒，并逐渐成长为雾霾。利用大连相干光源极紫外软电离技术，通过发展高灵敏度的单颗粒气溶胶质谱和成核机理研究装置，解析大气化学中的团簇的精细结构，可揭示大气中气溶胶的成核动力学机制。
“‘大连光源’的建成出光成为我国大科学工程的又一成功范例，必将大大促进我国在能源、化学、物理、生物、材料、大气雾霾、光刻等多个重要领域研究水平的提升，为我国的科学事业注入新的活力。”中国科学院副院长王恩哥说。
以科学驱动的攻坚队
“大连光源”项目于2012年初启动，2014年10月22日正式在大连长兴岛开工建设。开工以来，在不到两年的时间里，便完成了主要基建工程和主体光源装置的研制，并于2016年9月底安装完成首次出光，创造了我国同类大型科学装置建设的新纪录。
“大型科学装置最理想的工作模式需要具备几大要素。”上海应物所研究员王东介绍说，“首先，要有非常明确和强烈的科学驱动；其次，在工程方面要有可行性和支持的团队；此外，还有经济、社会、政治等方面的考虑，前两个是最基本的要素”。
赵振堂说：“以往，我们都是先建装置，然后看化学家、物理学家能够怎么应用；现在则是科学驱动、应用引领。建装置之前，我们会做充分调研，考虑到全国科学家们的建议——我们建装置的科学目标到底是什么？为什么建？”项目建设过程中，两个团队不停往返大连、上海两地，相互讨论和学习交流。王东回忆称：“第一次到长兴岛勘察现场时，这里还是一片平地，什么都没有。”耗时近8年，经过600至800人的团队通力协作，终于建成了“大连光源”。
“大连光源”的成功建设，得益于两个研究所的密切沟通和合理分工。“他们是做科学研究的，主要精力不是建设装置。对于找基金委申请、找人建设这方面而言，他们找我们合作更有效果，因为建设装置的队伍需要经验的积累。综合利用各个研究所的力量，从整体效益上来说也是最好的。”赵振堂说。
王东也表示，“两个团队在科学驱动和技术执行上均做到了最好。在起初的规划阶段，就要充分沟通：我们要知道他们想要什么，他们要知道我们能做什么。尽管建设时间只有两年，但我们真正的合作可以推算到8年以前。有沟通就要有分工，我们的强项是做工程，大连化物所则擅长做科学”。
对于未来的装置运转，王东告诉记者，“以后，这个装置是完全交给大连化物所运作的。他们必须培养整个队伍，要懂所有的东西，学习所有的原理，包括操作和修理等细节。他们有一批非常出色的年轻人，素质都很高，现在已经相当大程度上可以独立完成操作了”。
据悉，这一项目的顺利完成，开创了我国科学研究专家与大科学装置研制专家成功合作的先例，对于未来加快推动大科学装置在科学研究中的应用具有重要的现实意义。大连化物所及上海应物所的项目专家们将进一步努力将大连光源建设成为高水平的实验研究用户装置，为我国乃至世界提供一个独特的科学研究装置。
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