拍照不清楚？也许你需要这款“闪光灯”！
2019/4/12 7:00:00孙洋 科学大院
对于摄影达人来说，闪光灯简直是必备神器，特别是在室内、逆光、昏暗的室外等环境下，往往能够发挥出很大的作用。
图片来源：http://www.canon.com.cn/
不过，你知道吗，在对物质微观世界的研究中也离不开“闪光灯”。那就是同步辐射光源，它能产生如同照相机“连拍”的脉冲光，对于研究动态变化过程非常有用，比如能够“给分子、原子拍电影”的大连相干光源，它是世界上唯一能在极紫外波段工作的光源。
最近，听说大连人又要预研“大连先进光源”了，下面就让我们走进光源的世界，去看看这个神仙级的闪光灯吧!
同步辐射光源 偶然发现的利器
以前，人类对于光的了解，仅仅就是一个感官的认识。到了19世纪，物理学界的巨人之一——苏格兰物理学家麦克斯韦的研究成果问世，人们对于光学定律才有了确定的了解。从本质上说，广义的“光”就可以被称为电磁辐射。而光源，是指一切能够发光且正在发光的物体。例如，太阳、打开的电灯、燃烧的蜡烛都属于光源的范畴。
在人类文明史上，光源多次推动了生活和科技的发展。1879年美国发明家爱迪生发明的具有实用价值的碳丝白炽灯。1895年德国科学家伦琴发现的X射线，并且用这种光给他夫人的手拍摄了人类历史上第一章X光照片。1960年研制成功了第一台激光光源，这类光的所有光子都是相互关联的，所有光子就像一支由组织有纪律、步调统一的军队。
值得一提的是是1947年观察到的同步辐射光源，这种光源是美国通用电气公司在进行同步加速器调试过程中偶然发现的。
图片来源：化学之美微信公众号
经过科学家的思考和争论，大家发现，原来看到的光点，就是造成粒子能量损失的电磁辐射!由于这种辐射发生在同步加速器上，因此得名“同步辐射”。
同步辐射光源具有宽广的频谱分布、高亮度、高偏振度、高准直性等综合优异特性，使得其在物理、化学、材料、能源、生物等诸多领域具有显著的推动作用，自然科学研究因它的出现而呈现出了全新的面貌。
我国光源的“四世同堂”
同步辐射光源自从被人们逐渐认识到其重要性以来，现已成为世界各国推动科学技术快速发展的“标配”。经过几十年的发展，同步辐射已经发展到了第三代。截至目前，全世界正在运行或建设的同步辐射光源已经多达50余台，多数分布在美洲、欧洲和亚洲等区域。同步辐射光源的主要工作波段集中在X射线和真空紫外等区域，这些高频率波段很难通过常规手段获得高亮度的光束。下图展示了世界上几个主要的同步辐射光源的鸟瞰图。
图片来源：大连化物所制图
我国大陆目前也已建成三台同步辐射光源，分别是北京光源(第一代)、合肥光源(第二代)和上海光源(第三代)。
第一代：上世纪70年代起，在周恩来、邓小平等党和国家领导人的关怀下，我国开始部署建设北京正负电子对撞机(BEPC)，北京光源(BSRF)就是共生在BEPC上的同步辐射光源，属于典型的第一代装置，1991年首次向国内用户开放。
第二代：合肥光源(HLS)是我国第一台专用的同步辐射光源，并由我国第一个国家实验室——国家同步辐射实验室负责建设和运行，属于第二代装置，1991年末通过验收并投入使用。
第三代：上海光源(SSRF)是我国在新世纪建设的一台第三代中能同步辐射装置，曾经是我国历史上最大规模的大科学装置，2009年4月正式竣工，2010年1月通过国家验收并投入使用。世界顶级期刊《自然》对上海光源的建设给予了极大的关注，该杂志在2009年5月7日报道称，“中国加入了世界级同步辐射俱乐部。”
我国的这三台光源无论从代数上，还是在地域和能级上，都形成了非常合理的互补，有助于形成我国最优化的同步辐射光源建设和运行局面。除了这三台装置之外，我国还正在北京和合肥部署建设北京高能同步辐射光源(HEPS)和合肥先进光源(HALS)等项目，这些设施将推动我国在同步辐射领域布局更为完善，覆盖面更广，并跻身国际领先行列。
图片来源：大连化物所制图
而大连相干光源正是第四代光源!
大连相干光源：“第一”和“唯一”
自由电子激光是在第三代同步辐射光源基础上发展起来的自由电子激光，科学家们舍弃了同步辐射中的环形加速器，而是改用直线加速器。因为这类装置不再使用环形加速器，已经没有了“同步辐射”的痕迹。并且以自由运动的电子作为工作介质，因此科学家称之为“自由电子激光”。
与第三代同步辐射光源相比，自由电子激光的特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计，峰值亮度比第三代同步辐射光源高8-10个量级，光脉冲短3个量级，全相干，是真正的激光。
由于具有一系列无与伦比的优点，自从这类光源问世以来，立即成为世界各科技发达国家竞相发展的大科学装置。美国、欧盟、日本、意大利、瑞士、韩国等国家纷纷加快了研制自由电子激光装置的脚步。
相比于世界发达国家，我国在自由电子激光领域的起步较晚，但近年来也逐渐加快了步伐。杨振宁先生从1997年开始，曾先后八次给我国有关部门和领导写信，呼吁我国加快自由电子激光技术的研制。经过多年的积累，我国于2009年前后在上海建成了深紫外自由电子激光试验装置，标志着我国在该领域步入世界先进行列。
上海深紫外自由电子激光(装置总长65米),图片来源：http://www.sinap.cas.cn/xwzx/ttxw/201012/t20101230_3052280.html
2017年初，由国家自然科学基金委资助，中科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“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”(简称“大连相干光源”，DCLS)正式建成出光，并于2018年7月通过国家验收。这是我国第一台自由电子激光大型用户装置，也是世界上唯一工作在极紫外波段的自由电子激光装置，填补了国际空白。
上海软X射线自由电子激光装置施工图(左)和硬X射线自由电子激光(右)，图片来源：必应图库
此外，我国还有2014年启动的“软X射线自由电子激光”(SXFEL)和2018年启动的“硬X射线自由电子激光”(SHINE)等装置，目前正在建设中，建设地点都在上海张江科学城。其中，硬X射线自由电子激光装置是我国迄今为止投资最大、建设周期最长的大科学装置项目，投资规模达到百亿元。
“大连相干光源”究竟是什么神仙装置？
在大连相干光源建成以前，全球还没有一台工作在极紫外区域的自由电子激光用于科学研究。极紫外区域光源是探测分子、原子及其外壳层电子结构最重要的光子能量区域，是对分子进行激发和软电离最有效的光源，有助于科学家在分子水平上开展一系列重大科学问题研究，对于能源、化学、物理、材料等领域具有显著的推动作用。
2011年，由杨学明、赵振堂、王东领导的中国科学院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所相关专家组成的联合研发团队提出了在我国率先建设基于新一代极紫外高增益自由电子激光(“大连相干光源”)综合实验装置的计划。项目启动后，联合研发团队专家精诚合作，对国际上自由电子激光装置开展了详细调研，并于2013年12月确定了最终的技术方案。
2014年10月，大连相干光源实验楼正式破土动工。2016年9月24日，在不到两年的时间里，项目组完成了主要基建工程和主体光源装置的研制，并实现了光源装置的首次出光。
该装置可以在整个极紫外波段(50-150纳米)实现波长连续可调，重复频率达到50赫兹，种子激光在1皮秒级(1皮秒相当于一万亿分之一秒)和100飞秒级(1飞秒相当于一千万亿分之一秒)两个工作模式下切换。此外，大连相干光源研发团队还在世界上首次在种子型自由电子激光中采用了“taper波荡器”技术，使得HGHG模式的极紫外激光脉冲峰值功率达到了210微焦，是设计指标的2倍。该装置中90%的仪器设备均由我国自主研发，标志着我国在该领域相关技术已达国际先进水平。
图片来源：大连化物所
它的“全身”图是这样的：
图片来源：大连化物所
未来，大连相干光源将计划在现有加速器基础上，增加第二条波荡器系统，从而将用户时间增加一倍，可同时提供不同性能的极紫外激光，开展更为广泛的科学研究。
“拍照”也可以解决科学难题？
大连相干光源最初立项时的科学目标，就是致力于解决能源相关的基础物理化学研究。无论是传统化石能源的清洁转化利用，还是可再生能源的开发与利用，其本质都是不同能量形式相互转化的重大基础科学问题研究。
从“拍照片”到“拍电影”，图片来源：Veer图库
大连相干光源被形象地喻为“照亮物质微观世界的超亮超快的闪光灯”，这一“闪光灯”可准确捕捉到分子、原子等微观粒子在化学反应中的动态影像，实现了从为分子、原子“拍照片”到“拍电影”的跨越，这在以往是难以想象的。结合传统激光技术，大连相干光源将发展新的原子、分子和自由基灵敏度的电离以及其他特殊的探测方法，在如下领域中具有重要的应用前景：
1. 燃烧化学研究
当今世界，超过85%的全球一次能源供应来自于化石燃料的燃烧。基于大连相干光源，科学家可以灵敏探测燃烧过程中的重要产物和中间体，阐明燃烧过程中的化学机理，从而可以有效提升燃烧效率、降低能源消耗，还有助于建立燃烧反应理论模型，为新型航空燃料合成、高超声速飞行技术发展、高能化学激光利用等工程应用领域提供理论指导。
2. 表界面催化化学研究
据统计，目前约85%的能源化工过程涉及催化技术，对发达国家国民生产总值贡献大于20%。提高传统能源加工转化效率和清洁化利用水平离不开高效的催化技术。基于大连相干光源，发展先进的具有高精度空间和时间分辨性能的现代物理化学表征技术，将为催化技术的发展带来新的机遇。
3. 光化学转化研究
我国是一个太阳能资源相当丰富的国家，将太阳能转化为电能、燃料和热能，是解决当前能源危机的理想途径。转化过程中两个重要的光催化反应都涉及光的吸收、能量传递、电荷转移和分离以及表界面催化反应等最基础的共性科学问题。基于大连相干光源，发展新型高效的光催化材料的合成方法和能带调控理论，深入理解太阳能光催化分解水和还原二氧化碳过程中的基元反应，对于光化学转化研究具有重要意义。
4. 极紫外光刻研究
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。而高亮度的短波长光源是推动半导体器件向更小尺寸发展的关键。大连相干光源可以提供最低50纳米波长的极紫外光源，可用于极紫外光刻技术的研究。未来布局建设的高重复频率极紫外自由电子激光技术可以提供13.5纳米的高亮度激光，为下一代光刻技术提供高水平研发平台。
5. 大气雾霾化学研究
大气环境污染已经给人类的健康和交通安全等方面造成了严重的危害。大气中的化学物质与水分子作用之后，形成分子团簇，这些团簇在生长过程中吸附大气中各种污染分子以及水分子，生长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，解析大气化学中性团簇的精细结构，揭示大气中气溶胶的成核动力学机制。
图片来源：化学之美微信公众号
先进光源：还能再“拍”快一点!
同世界上所有已建成的自由电子激光装置一样，大连相干光源也有一个急需提升的方面，那就是重复频率较低，这也是基于常温加速器技术的自由电子激光共同的局限性。
重复频率的提高究竟有多重要呢？举个例子，假如科学家需要探测一个动态过程，如果每秒钟只能拍到10张照片，获得的影像就非常卡顿；如果每秒钟能拍到上万张照片，获得的就是超高清晰的动态影像。
为了解决这个问题，建设高重复频率自由电子激光装置就成为了科技界的迫切需求。德国、美国和中国上海都在积极布局重复频率更高的光源装置。然而，上述这些高重复频率的自由电子激光装置全都是运行在硬X射线波段，在探测原子、分子等微观粒子的结构方面更有优势的极紫外和软X射线波段却并未布局。为了填补这一空白，大连化物所适时提出要在大连建设一台运行在极紫外和软X射线波段的高重复频率自由电子激光装置，简称“大连先进光源”。
它是一套工作在极紫外(含软X射线)的高重复频率自由电子激光装置，将超导加速器技术、超快激光技术、高灵敏度探测技术等技术紧密结合起来，有望成为世界上独特的综合性基础科学研究平台，有力地推动能源化学、凝聚态物理、原子分子物理、结构生物学、先进材料等学科领域，以及相关高技术产业的精密加工和尖端制造的发展。
更为重要的是，“大连先进光源”将成为推动我国科技进步不可或缺的“利器”，是推动中国科学院洁净能源创新研究院建设、洁净能源国家实验室申请与建设的重要支撑和保障，也是振兴东北区域发展、推动大连市加快建设创新型城市的重大举措。
作者单位：中国科学院大连化学物理研究所
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