大連光源   本報記者劉萬生攝

■本報記者 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個多月的調(diào)試后，這個總長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，單個皮秒激光脈沖產(chǎn)生140萬億個光子，成為世界上最亮且波長完全可調(diào)的極紫外自由電子激光光源。

中科院副院長王恩哥評價稱：“大連光源是中科院乃至我國的又一項具有極高顯示度的重大科技成果。裝置中90%的儀器設(shè)備均由我國自主研發(fā)，標(biāo)志著我國在這一領(lǐng)域占據(jù)了世界領(lǐng)先地位，為我國未來發(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實的基礎(chǔ)。”

給分子“拍個電影”

自由電子激光是國際上最先進(jìn)的新一代先進(jìn)光源，也是當(dāng)今世界先進(jìn)國家競相發(fā)展的重要方向，在科學(xué)研究、先進(jìn)技術(shù)、國防科技發(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)波長短到100納米附近時，一個光子所具備的能量就足以電離一個原子或分子而又不會把分子打碎，這個波段的光稱為極紫外光。

“在科學(xué)實驗中，需要探測的原子或分子數(shù)量可能非常少，存在時間也非常短，普通的極紫外光源無法滿足這個需求，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)動力學(xué)國家重點實驗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‘特殊物質(zhì)’就是脫離原子核而單獨存在的自由狀態(tài)的電子。”

但是，一臺運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，中國的機(jī)會來了。

中國第一 世界最亮

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

至此，大連光源成為我國第一臺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。

光源的每一個激光脈沖可產(chǎn)生超過100萬億個光子，波長可在極紫外區(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，我國率先建成這一先進(jìn)光源，對推動我國乃至世界在這些領(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楊學(xué)明說，“大連光源的成功研制也為我國未來發(fā)展X波段的自由電子激光打下了堅實基礎(chǔ)。”

例如，舉國關(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)簇在生長過程中吸附大氣中各種污染分子，生長為較大的氣溶膠顆粒，并逐漸成長為霧霾。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)工程對于科技發(fā)展起著越來越重要的推動作用。大連光源的建成出光，成為我國大科學(xué)工程的又一成功范例，將大大促進(jìn)我國在能源、化學(xué)、物理、生物、材料、大氣霧霾、光刻等多個重要領(lǐng)域研究水平的提升，為我國科技事業(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)造了我國同類大型科學(xué)裝置建設(shè)的新記錄。

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

以科學(xué)目標(biāo)為驅(qū)動，讓大連光源成為我國大科學(xué)裝置研制的典范。趙振堂告訴《中國科學(xué)報》記者，我國早期的大科學(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過程反了過來，是科學(xué)家先對科研有了需求，再找到工程團(tuán)隊來合作。這要求我們在建裝置之前就充分調(diào)研，開工之前就要掌握裝置的科學(xué)目標(biāo)是什么。”

大連化物所的長處是科學(xué)研究，而上海應(yīng)物所團(tuán)隊在大科學(xué)裝置建設(shè)方面積累了20年的經(jīng)驗，兩個團(tuán)隊為了相同的夢想走到了長興島，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)物所的項目專家將進(jìn)一步把大連光源建設(shè)成為高水平的實驗研究用戶裝置，為我國乃至世界提供一個獨特的科學(xué)研究裝置。