大连相干光源的直线造型，藏着哪些“独门绝技”？丨探微之光

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（来源：中国科普博览）

在辽宁省大连市长兴岛经济技术开发区，矗立着一座会“发光”的大科学装置——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”，它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（50~150 nm）的自由电子激光装置，更是世界上最亮的极紫外光源。

自2016年9月实现首次出光，到2018年7月正式通过验收，这座装置一直在用其独特的方式，为科学家照亮前所未见的微观世界。

或许你也可能听说过其它光源，例如外形像“卷环”的同步辐射光源，那么，大连相干光源为何要选择这种独特的“长直”造型？设计中蕴含了哪些智慧呢？让我们一起探寻其中的奥秘。

要理解DCLS为何如此明亮，我们可以把它想象成一个超级“光子制造机”。它的工作流程非常精密：首先，将电子加速至接近光速，形成一束极快的电子流；然后，让这束电子流射入一条长长的真空管道。

管道内暗藏玄机，这里布置着周期变化的磁场。当电子穿过时，会被磁场迫使着进行规则的“蛇形”摆动。正是这种受控的摆动，让所有电子像一支乐队合奏一样，有节奏地释放出光子。这些光子汇聚在一起，就形成了强度极高的激光束。

直线型的结构设计在这里起到了关键作用。它确保了电子在摆动过程中能量集中、不易散开。电子束越“紧凑”，释放出的光子流就越集中，亮度也就越高。

与传统同步辐射光源相比，DCLS的单个脉冲中包含的光子数可以高出1至100亿倍。这样的超高亮度，不仅能帮助科学家观测到更微小的原子和分子，还能避免以往因为亮度不足而不得不延长的曝光时间，进而减少了对样品的辐射损伤。

如果说高亮度让DCLS成为一盏明亮的“闪光灯”，那么它的直线设计还赋予了它一个更神奇的本领——拥有快到极致的时间分辨率，能够捕捉以“飞秒”计的超快过程。

飞秒究竟有多快？？飞秒（femtosecond，fs）是一种极其微小的时间单位，1飞秒等于1秒的一千万亿分之一。在这短暂的一瞬，光在真空中连一根头发丝的直径都跑不完。

DCLS的直线结构，正是实现飞秒级超短脉冲的关键。在直线型的自由电子激光装置里，电子就像百米短跑运动员，起跑后一路直线加速、全力冲刺，能量集中、步伐一致，从而能够在极短的时间里迸发出清晰的“光子脉冲”。

相比之下，在传统的环形同步辐射装置里，电子则更像长跑选手，需要不断拐弯。每过一个弯道，就会因为磁场偏转而损失部分能量，导致速度起伏，节奏不再紧凑。最终产生的光脉冲就像一段被拉长的时间线，难以达到飞秒级的极致短暂。

因此，直线型自由电子激光能更好地保持电子束的整齐和稳定，从而产生飞秒甚至更短的激光脉冲。这种超短光脉冲，就像一台拥有无敌快门的“高速相机”，能抓拍到电子跃迁、化学键断裂等发生在极短时间内的超快过程，为研究物质的动态本质提供了前所未有的工具。

要看清微观世界的精细结构，科学家需要一束非同寻常的光。它不仅需要明亮，更需要“步调一致”——这种特性在光学上被称为“相干性”。可以想象一下，当所有光波的波峰和波谷都能完美对齐时，它们就能通过干涉和衍射，共同描绘出极其清晰的图像。

大连相干光源正是产生这种理想光束的利器。在它的直线加速器中，电子束能够保持高度集中的能量和整齐划一的队形，其能量分散度只有传统环形同步辐射光源的百分之一到十分之一，因此它产生的激光在时间和空间上的相干性都实现了百倍以上的提升。这个过程好比一支训练有素的士兵方阵，整齐划一地踏步过桥，动作高度一致，引发强烈共振，释放出高强度、相干的光。相比之下，环形同步辐射装置中的电子更像零散落下的雨滴，落在水面上只能激起杂乱无章的波纹，彼此干扰，难以形成清晰统一的光波。

正因凭借这种高度的相干性，DCLS发出的激光能够以前所未有的精度探测物质内部结构，让科学家在纳米甚至更小的尺度上，清晰地“看见”原子和分子的排列方式，为新材料研发和生命科学研究打开了全新的视野。

大连相干光源装置

（图像来源：中国科学院重大科技基础设施共享服务平台）

总而言之，大连相干光源（DCLS）的直线造型是其获得“超高亮度”、“超短脉冲”、“全相干”三大特性的前提基础。正是这一气呵成的直线设计，最终锻造出了这把极紫外波段的“超级光剑”，最终输出超亮、超快、全相干的极紫外激光。

这使得DCLS如同一台集合了最亮的“闪光灯”、最快的“快门”和最清晰“镜头”的终极科学相机。它正以前所未有的精度，为我们记录原子分子超快动力学过程、催化反应的神奇瞬间，照亮了人类探索微观世界超快动力学的全新前沿。

出品：科普中国

作者：杨超（中国科普作家协会会员、博士）