探索物质世界奥秘的极紫外神光

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根据电动力学原理，加速运动的电子会向外辐射电磁波，尤其是来回变向跑动（振荡）的电子辐射电磁波能力非常强。我们常用的无线信号，无论是电视还是手机，都是通过驱使电子在天线里来回振荡发射电磁波。在大连极紫外相干光源中，时间宽度为几个皮秒（1皮秒 = 1万亿分之一秒）的脉冲激光（驱动激光）在光阴极上打出一簇高密度的脉冲电子，利用直线加速器将这个脉冲电子束加速到3亿电子伏特的能量（这相当于让电子穿越3亿伏的超高压电场）。这时，由于相对论效应，电子的速度与光速非常接近。我们再用另一束皮秒或者亚皮秒时间宽度的强激光（种子激光）照射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的作用下，就会按照激光的波长在空间重新分布（调制），其中含有丰富的谐波成分。然后让空间分布被调制的电子束继续穿越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会一边以光速向前飞行，一边左右摆动，这样电子就会向前辐射出光线。由于电子飞行的速度和光速非常接近，电子在飞行途中各处发射的光会叠加增强，同时电子自身辐射的光也在调制电子自己的空间分布，从而使得电子更加强烈地辐射光线。如果我们适当地选择周期性磁场的强度，就会使得种子激光中的某个谐波成分按照前述方式急剧地自激放大并达到饱和，从而输出我们需要的极紫外激光。

为了实现国际领先的技术指标，大连光源采取了一系列先进的技术，包括引入双馈入电子直线加速管、楔形波荡器技术等。自行设计和搭建的驱动激光的整形系统及其稳定性达到了国际先进水平。为了保证整个极紫外相干光源的稳定运行，整个系统所在建筑的防辐射性能、地基的防振性、激光器超净间温湿度的恒定性和电子加速器冷却水温度的稳定性都达到了极高的标准。建成以后，大连光源将成为当今世界上在极紫外波段最强的自由电子激光，在这样的极紫外光照射下的区域内，几乎所有的原子和分子都“无处遁形”，因此是研究与原子分子过程相关的物理和化学科学问题的强有力的利器。大连光源综合实验装置还以极紫外相干光源为依托，配套研制了一系列具有国际先进水平的，用于研究与燃烧、大气以及洁净能源相关的物理化学过程的实验站，使得该装置成为相关研究领域的一个在国际上独具特色的，不可替代的研究平台。

作者系 中科院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室科研人员

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