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“大连光源”发出世界最强极紫外自由电子激光脉冲

2017-03-30 08:39
路过的码农
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最近,在辽宁省大连市长兴岛,中国最新一代极紫外自由电子激光装置——“大连光源”发出了世界最强的极紫外自由电子激光脉冲。其单个皮秒(1皮秒等于万亿分之1秒)激光脉冲可产生140万亿个光子,不仅世界最亮而且波长完全可调。这个在中国诞生的又一“世界之最”,将成为人类探索分子、原子微观世界的研究利器,从而推动中国乃至世界基础科学研究的发展。

“世界最亮”的光、分子原子运动的“摄像机”

人类自诞生之日起,就一直在黑暗中找寻光明。除了太阳光等自然光源外,伴随人类文明的进步,人造光源也逐渐成为人类认识世界和感知世界的工具。从上世纪40年代,美国在加州大学伯克利分校研发了第一代高能电子束同步加速器后,世界各国竞相建设先进光源。作为全球最先进的第四代光源,自由电子激光在前沿科学研究中发挥着不可替代的作用,尤其近十年来,已成为人类探索未知物质世界、实现技术变革、发现新科学规律的重要研究工具。

中科院大连化学物理所研究员正在调试“大连光源”装置

近代物理学表明,光的本质是电磁波,且带有能量。光的波长越短,能量越高。可见光的能量较小,波长处于400-700纳米之间,可以刺激人的视觉细胞产生信号。波长小于可见光的紫外光,由于能量较高,会对人体产生危害,比如UVA和UVB。而当波长短至约100纳米时,光所具备的能量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。

借助于极紫外光将分子或原子中的电子“打”出来,分子、原子在变成带有正电荷的离子后击打在探测器上,就会形成“电”信号。如此,科学家们就可以灵敏地“看到”微观世界。然而由于在科学实验中,需要探测的分子、原子数量可能非常少,存在时间也相当短,普通的极紫外光源无法满足需求,必须借助于高亮度的极紫外光源,即极紫外激光。

“大连光源”发出的光正是极紫外激光。有了极紫外激光,科学家们就仿佛多了一件可探测微观世界的“显微镜”。更令人叹为观止的是,“大连光源”发出的极紫外激光不仅仅是“显微镜”,更是能摄录分子、原子运动过程的“摄像机”。

实际上,与人类生活息息相关的许多物理和化学过程,本质都是分子和原子的反应过程。人类创造的第三代同步辐射光源,可以为微观世界的粒子“拍照”。与之相比,“大连光源”已经先进到可以把一帧帧“照片”接合起来,为分子、原子“拍电影”,动态记录下其物理、化学反应的全过程。

若论光的亮度,其定义是单位时间内、单位立体角内、单位面积上、单位波长范围内所发射的光子数量。形象来看,太阳光的亮度是一般家用白炽灯的1万倍,第三代人造光源的亮度又是太阳光的100亿倍。而“大连光源”的峰值亮度可以达到第三代光源的100亿倍,所谓“世界最亮”名不虚传。

“大连光源”装置中90%的设备由中国自主研发

“大连光源”平铺在一个长达100多米的隧道内,由加速器、波荡器和光束线站三部分构成。其发光原理为,先由时间宽度为几个皮秒的脉冲激光(驱动激光)在光阴极上打出一簇高密度的脉冲电子,直线加速器会将这个脉冲电子束加速到3亿电子伏特的能量,这相当于让电子穿越3亿伏的超高压电场。再用另一束皮秒或者亚皮秒时间宽度的强激光(种子激光)照射在这个高能电子束上,电子束中的电子在种子激光的电磁场作用下,会按照激光的波长在空间调制,这其中含有丰富的谐波成分。接着,让被调制的电子束继续穿越一系列周期性变化的磁场,即波荡器。根据电磁学原理,电子在周期性磁场中会一边以光速向前飞行,一边左右摆动,同时向前辐射出光线。电子在飞行途中各处发射的光会叠加增强,同时电子自身辐射的光也在调制电子自己的空间分布,从而使得电子更加强烈地辐射光线。如果适当选择周期性磁场的强度,就会使得种子激光中的某个谐波成分按照前述方式急剧地自激放大并达到饱和,从而输出极紫外光。

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,具有完全的相干性。其脉冲长度可以在飞秒(1飞秒等于千万亿分之一秒)和皮秒模式间选择,还可使用SASE(自放大自发辐射)或HGHG(高增益谐波放大)模式运行。

“大连光源”还采取了一系列先进技术,包括引入双馈入电子直线加速管、楔形波荡器技术等。装置中90%的仪器设备均由中国自主研发,其中由中国自行设计和搭建的驱动激光整形系统及其稳定性达到国际先进水平。

“大连光源”是由中国科学院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所联合研制,并得到了国家自然科学基金委国家重大仪器专项资助,总投资达1.4亿元。项目于2012年初正式启动,2014年10月开工建设。2016年9月24日22点50分,超过300兆伏能量的高品质电子束流依次通过自由电子激光放大器的全部元件,“大连光源”发出了第一束极紫外光。此后,经过3个多月的调试,“大连光源”成功发出了更强光。

自正式开工后,仅在两年的时间内,项目团队就完成了主要基建工程和主体光源装置的研制,并且在短时间内调试产生世界上单脉冲最亮的极紫外光,创造了中国同类大型科学装置建设的新记录。“大连光源”的建成,也为中国未来发展更高能量的X射线波段自由电子激光打下了坚实基础。

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