峰值亮度达太阳光的一万万亿倍，我国大连相干光源是如何做到的？

我是中国科学院大连化学物理研究所研究员杨学明。“大连相干光源”的全称是“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”，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。作为项目负责人，我来回答一下大家关心的这个问题。

我们“大连相干光源”名字中的“相干”两个字，表明了它的核心特征。普通光源（如灯泡）发出的光，就像一群随意散步的人，朝各个方向行走，步伐（相位）杂乱无章，这种光被称为“非相干光”。相干光源发出的光，则像一支训练有素的仪仗队，所有人的步伐（相位）高度一致，朝一个方向前进，节奏稳定，这种光就是激光。

“大连相干光源”是我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置，也是世界上唯一工作在极紫外波段的“自由电子激光”用户装置，还是世界上最亮的可调谐极紫外光源，堪称独一无二的存在。

大连相干光源有最亮的“闪光灯”，峰值功率的亮度是太阳光的一万万亿倍！有最快的“快门”，出光长度能达到飞秒、皮秒，不但能让分子、原子无处遁形，还能给它们“拍超快电影”，将物理化学反应的全过程动态记录下来。

自由电子激光是如何产生的？为何能达到惊人的亮度？

自由电子激光是近年来国际科技界飞速发展的一类重大科技基础设施，其特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计。自由电子激光是通过相对论电子束与周期性磁场（波荡器）的相互作用实现受激辐射放大，其峰值亮度由电子束能量、磁场强度及周期长度共同决定。这种机制突破了传统同步辐射光源的亮度限制，理论上可实现更高能量转换效率。

自由电子激光与第三代同步辐射光源相比，峰值亮度高8-10个量级，光脉冲短3个量级，相干性提高3个量级以上，具有超高亮度、超短脉冲、全相干等优异特性，大大提高了实验研究的时间和空间分辨率。科学家借助这些优异性能，可以在全新的时间尺度和空间尺度上理解自然过程，特别是直接观测到电子的动态过程、分子结构及演化、物质相变等现象，从而彻底开辟一个从未被探索的世界。

世界上唯一的极紫外波段的“自由电子激光”装置

在大连相干光源建成以前，世界上没有一台工作在极紫外区域的用于科研的自由电子激光器，其他高增益自由电子激光装置都集中在X射线区域。极紫外区域光源是探测分子、原子及其外壳层电子结构最重要的光子能量区域，是对分子进行激发和软电离最有效的光源，有助于科学家在分子水平上开展一系列重大科学问题研究，对于能源、化学、物理、材料等领域具有非常重要的作用。对此，美国《科学》杂志曾报道称，“一个独特的自由电子激光实验室在中国建成”。

“大连相干光源”主体光源装置主要由加速器、波荡器、光束线及实验站等部分组成。目前，大连相干光源拥有了两条独立可调谐的极紫外（50-150纳米）波荡器束线，可以同时为两个不同的用户供光，实现“两翼齐飞”的运行模式，大大提高了工作效率。

大连相干光源的应用领域和成果

前面咱们也有提到，大连相干光源被形象地喻为“照亮物质微观世界的超亮超快的闪光灯”，这一“闪光灯”可准确捕捉到分子、原子等微观粒子在化学反应中的动态影像，实现了从为分子、原子“拍照片”到“拍电影”的跨越，这在以往是难以想象的。结合传统激光技术以及离子成像技术，科研人员依托大连相干光源，发展了一系列先进的高灵敏度探测方法，在众多领域都有重要应用，比如：

1、星际化学

原子分子与光的相互作用贯穿宇宙演化的整个过程，极紫外光驱动的化学反应是宇宙分子演化以及星云和行星形成的重要驱动力。开展星际中分子光化学反应的研究，对理解生命起源等星际化学核心问题有重要意义。

2、能源环境

能源是制约我国未来发展的最为重要的因素之一，大气环境是人类赖以生存和发展的基本条件。因此，利用可调高亮度极紫外光源，可以实时灵敏地探测能源催化、环境污染相关过程中关键反应中间体和产物的结构及其动态演变，打开化学反应的黑匣子，将具有变革性意义。

3、生物医药

生命物质分子的微观结构决定了生物体的宏观特性和功能。利用高亮度极紫外光源，开展蛋白质组学和蛋白质结构变化的紫外激光解离研究，能够有效研究药物分子与蛋白质等生命物质大分子相互作用，从而为药物研发提供技术支撑。

整体来讲，作为世界上唯一工作在极紫外波段的“自由电子激光”装置，凭借超高亮度、超短脉冲和全相干等优异特性，已经成为星际化学、能源环境以及生物医药等多个前沿基础研究领域独特且不可或缺的利器。

来源：腾讯太空

编辑：endlesscliff

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