本文摘要：最近，在辽宁省大连市长兴岛，中国近期一代极紫外自由电子激光装置——“沈阳光源”收到了世界最弱的极紫外自由电子激光脉冲。其单个皮秒（1皮秒相等万亿分之1秒）激光脉冲可产生140万亿个光子，不仅世界视星等而且波长几乎固定式。这个在中国问世的又一“世界之最”，将沦为人类探寻分子、原子微观世界的研究利器，从而推展中国乃至世界基础科学研究的发展。“世界视星等”的光、分子原子运动的“摄像机”人类自问世之日起，就仍然在黑暗中寻找光明。

最近，在辽宁省大连市长兴岛，中国近期一代极紫外自由电子激光装置——“沈阳光源”收到了世界最弱的极紫外自由电子激光脉冲。其单个皮秒（1皮秒相等万亿分之1秒）激光脉冲可产生140万亿个光子，不仅世界视星等而且波长几乎固定式。这个在中国问世的又一“世界之最”，将沦为人类探寻分子、原子微观世界的研究利器，从而推展中国乃至世界基础科学研究的发展。“世界视星等”的光、分子原子运动的“摄像机”人类自问世之日起，就仍然在黑暗中寻找光明。

除了太阳光等大自然光源外，预示人类文明的变革，人造光源也渐渐沦为人类了解世界和感官世界的工具。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实时加速器后，世界各国竞相建设先进设备光源。

作为全球最先进设备的第四代光源，自由电子激光在前沿科学研究中充分发挥着不能替代的起到，特别是在近十年来，已沦为人类探寻不得而知物质世界、构建技术变革、找到新的科学规律的最重要研究工具。中科院沈阳化学物理所研究员正在调试“沈阳光源”装置近代物理学指出，光的本质是电磁波，且具有能量。

光的波长越高，能量越高。红外线的能量较小，波长正处于400-700纳米之间，可以性刺激人的视觉细胞产生信号。波长大于红外线的紫外光，由于能量较高，不会对人体产生危害，比如UVA和UVB。而当波长较短至约100纳米时，光所不具备的能量不足以电离一个原子或分子而又会把分子刺穿，这个波段的光称作近于紫外光。

借助近于紫外光将分子或原子中的电子“打”出来，分子、原子在变为具有正电荷的离子后敲击在探测器上，就不会构成“电”信号。如此，科学家们就可以灵敏地“看见”微观世界。然而由于在科学实验中，必须观测的分子、原子数量有可能非常少，不存在时间也非常较短，普通的极紫外光源无法符合市场需求，必需借助高亮度的极紫外光源，即极紫外激光。

“沈阳光源”收到的光正是极紫外激光。有了极紫外激光，科学家们就好像多了一件可观测微观世界的“显微镜”。更加令人叹为观止的是，“沈阳光源”收到的极紫外激光某种程度是“显微镜”，堪称能摄像分子、原子运动过程的“摄像机”。实质上，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。

人类建构的第三代实时电磁辐射光源，可以为微观世界的粒子“照片”。与之比起，“沈阳光源”早已先进设备到可以把一帧帧“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、单位波长范围内所升空的光子数量。

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“沈阳光源”的峰值亮度可以超过第三代光源的100亿倍，所谓“世界视星等”名不虚传。“沈阳光源”装置中90%的设备由中国自律研发“沈阳光源”平铺在一个长达100多米的隧道内，由加速器、波荡器和光束线车站三部分包含。

其闪烁原理为，再行由时间宽度为几个皮秒的脉冲激光（驱动激光）在光阴极上投出一簇高密度的脉冲电子，直线加速器不会将这个脉冲电子束加快到3亿电子伏特的能量，这相等于让电子穿过3亿伏的超高压电场。再行用另一束皮秒或者亚皮秒时间宽度的强劲激光（种子激光）太阳光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起到下，不会按照激光的波长在空间调制，这其中所含非常丰富的谐波成分。

接着，让被调制的电子束之后穿过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不会一旁以光速向前飞行中，一旁左右转动，同时向前电磁辐射出有光线。电子在飞行中途中各处升空的光会变换强化，同时电子自身电磁辐射的光也在调制电子自己的空间产于，从而使得电子更为反感地电磁辐射光线。如果必要自由选择周期性磁场的强度，就不会使得种子激光中的某个谐波成分按照前述方式急遽地自激缩放并超过饱和状态，从而输入近于紫外光。

光源的每一个激光脉冲可产生多达100万亿个光子，波长可在极紫外区域几乎倒数固定式，具备几乎的相干性。其脉冲长度可以在飞秒（1飞秒相等千万亿分之一秒）和皮秒模式间自由选择，还可用于SASE(自缩放自发辐射)或HGHG(高增益谐波缩放)模式运营。

“沈阳光源”还采行了一系列先进设备技术，还包括引进双馈入电子直线加快管、楔形波荡器技术等。装置中90%的仪器设备皆由中国自律研发，其中由中国自行设计和搭起的驱动激光整形系统及其稳定性超过国际先进设备水平。“沈阳光源”是由中国科学院沈阳化学物理研究所和上海应用于物理研究所牵头研制，并获得了国家自然科学基金委国家根本性仪器专项资助，总投资约1.4亿元。

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