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国际唯一波长可调极紫外自由电子激光如何诞生?

  ——自由电子激光在进入21世纪之后才开始兴旺发展起来。目前,几家研发自由电子激光的相关单位各有所长,其中一些在波长等指标方面较为领先,技术难度很高,但还没有一家可实现波长可调。

  位于合肥的国家同步辐射实验室目前能提供国内真空紫外最好的实验条件,在过去曾协助杨学明课题组做出很好的实验成果。但同步辐射光源毕竟不是激光,在相干性、峰值功率和时间特性上尚存差异。

  针对这些问题,大连化物所从实际需求出发提出要求,上海应用物理所在设计中将目标瞄准解决实验中的实际问题。

  2011年大连化物所牵手上海应用物理所

  能源研究中,煤的热解等燃烧过程的中间产物往往以原子、分子、自由基的形式存在,这些微观粒子被电离为离子后才能变成电信号被测试到。因此,对微观粒子的高灵敏度、高时间分辨率和物种分辨的探测和研究至关重要。

  但是,大多数分子或自由基的激发电离波长都处于极紫外波段(50~150纳米),而传统激光器产生的基本波长一般在近紫外到近红外波段(300~1000纳米)。这造成了传统激光激发电离微观粒子需要吸收多个光子,其效率和灵敏度会呈几何量级的降低,并且容易把产物打碎。

  为解决该问题,科学家提出了利用自由电子激光产生极紫外波段相干光的技术。该技术被认为是探测微观粒子最有效的途径。自由电子激光的波长可涵盖从硬X射线到远红外的所有波段,特别是利用高增益谐波产生(HGHG)技术产生的自由电子激光具有超高峰值亮度、超快时间特性和良好的相干性,应用价值巨大。

  但该技术直到近十年才在实验中得到验证。其中,中科院上海应用物理所在几年前建设了我国第一个自由电子激光,并成功进行了相关实验。

  而在大连,一位在科研中多年受困于粒子探测难题的科学家坐不住了。他就是以自己研发仪器进行实验而著名的杨学明。杨学明找到上海应用物理所,希望双方能够合作开发新设备。

  上海方面通过经验积累后也意识到,有把握将自由电子激光的波长从200纳米降到150纳米以内,并实现波长可调。于是双方一拍即合,经过几年论证,在2011年联合申请了国家自然科学基金委国家重大科研仪器设备专项。

  2012年上海应用物理所HGHG自由电子激光成功实现大范围波长连续可调

  中国科学院上海应用物理研究所的上海深紫外自由电子激光实验装置(SDUV-FEL)完成了一项新的自由电子激光实验,在国际上率先实现了大范围连续调谐的HGHG自由电子激光放大。

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