为何是极紫外光？大连相干光源的“黄金波段”之谜丨探微之光

大连相干光源（Dalian Coherent Light Source，DCLS），全称为“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”，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（Extreme Ultra-violet，EUV，50~150 nm）的同类设备。它坐落于大连市长兴岛经济技术开发区，是世界上最亮的极紫外光源。

那么，为什么它要选择极紫外光呢？

极紫外光：一把“精密手术刀”

我们可以把极紫外光想象成一把“精密手术刀”，它能精准地激发分子中参与形成化学键的价电子，让科学家可以观察到化学键如何断裂、如何形成，而不把整个分子打散。

这正是大连相干光源（DCLS）的核心使命：研究分子在化学反应中的动力学过程，特别是那些发生在飞秒（10-15秒）尺度上的瞬态变化。在极紫外波段，大部分原子、分子将被激发至较高的电子激发态，或者直接被单光子电离。因此DCLS是实时观测化学键的形成与断裂、化学反应的中间态、元素的电离（如碳、氮、氧等）等化学反应动力学过程的理想光源。换句话说，极紫外光的能量“刚刚好”满足研究化学键动力学过程的需求。

相比之下，普通紫外线的能量较低，不能激发或电离这些价电子，进而无法研究化学键的断裂与形成。而X射线的能量太高，会直接“打穿”分子，把内层电子轰出来，导致分子瞬间碎裂，使科学家难以观察化学反应的中间过程。

极紫外光：元素世界的“神探”

极紫外光如同一位“火眼金睛”的“大侦探”，能够识别元素周期表上几乎所有元素的“指纹”。在极紫外波段，周期表中绝大多数元素（从氢到硫，甚至更重的元素）都有强烈的吸收和发射特征。这意味着，只要用极紫外光一照，科学家就能获取样品中各种元素及其化学状态的详细信息。

相比之下，普通紫外线主要对少数轻元素敏感，能获取的信息非常有限。而X射线虽然能探测所有元素，但对轻元素（如碳、氮、氧）的灵敏度较低，而这些元素恰恰是生命分子和有机化学的核心。正因如此，极紫外光成为了探测和分辨元素的最佳光波段，使大连相干光源在燃烧与大气化学、星际分子与等离子体物理、生物分子结构及动力学等相关研究领域，成为国际上不可替代的研究平台。

凭借这一独特优势，科学家们利用大连相干光源取得了一系列重要发现：揭示了最小水滴的立体结构，回答了《科学》杂志在创刊125周年之际提出的“水的结构是什么”这一前沿科学难题。科学家们利用大连相干光源在硼团簇的光电离效率光谱中发现了最小三维中性硼团簇。科学家们还基于大连相干光源研究了气溶胶新粒子生成过程中成核前驱体的化学组成及其动态变化，揭示了有机气溶胶的形成新机制。再比如，科学家们利用大连相干光源发现了水分子三体解离产氧机制，阐明了水分子光解是宇宙星云、彗星大气、地球原始大气层氧气的重要来源。此外，还发现二氧化硫分子极紫外光解离产生硫离子和氧气也可能是地球早期大气中氧气来源的关键途径。

大连相干光源发现最小水滴立体结构

（图片来源：大连相干光源）

总而言之，极紫外光凭借其恰到好处的能量和独特的选择性，成为了探索微观世界不可替代的“超级探针”。大连相干光源（DCLS）产生的极紫外激光，大连相干光源产生的极紫外激光，就像一台超高速的“分子摄像机”，让科学家能够捕捉到化学键断裂与形成的精彩瞬间。

随着这类先进光源技术的持续发展，我们正迈向一个更加令人兴奋的科学新时代。未来，科学家有望实现以“分子电影”的形式，实时记录化学反应的全过程，从而揭开自然界更多隐藏的奥秘。这座位于大连长兴岛的光源装置，将继续照亮人类探索微观世界的道路，推动科技创新不断向前。

出品：科普中国

作者：杨超（中国科普作家协会会员、博士）

监制：中国科普博览