可调波极紫外自由电子激光器

摘要：3月12日，总预算达1.4亿元的国家重大科研仪器设备专项“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”在大连正式启动。它将成为国际上唯一一套工作在50～150纳米区间且波长可调的全相干高亮度的自由电子激光器。　　对原子、分子的探测是物理化学研究的基础，但由于现有仪器设备的限制，大多数分子和自由基难以被单光子电离，使很多研究无法深入，成为困扰科研工作者的一大难题。　　一项旨在解决该难题的实验装置即将在我国建设。3月12日，总预算达1.4亿元的国家重大科研仪器设备专项“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”在大连正式启动。它将成为国际上唯一一套工作在50～150纳米区间且波长可调的全相干高亮度的自由电子激光器。　　项目总负责人、中科院院士杨学明表示，该装置的研制将极大提升我国在能源等相关基础科学领域的实验水平，并极有希望成为国际上相关领域的一个重要研究基地。　　强强联合　　项目负责人之一、中科院大连化物所研究员戴东旭介绍说，能源研究中，煤的热解等燃烧过程的中间产物往往以原子、分子、自由基的形式存在，这些微观粒子被电离为离子后才能变成电信号被测试到。因此，对微观粒子的高灵敏度、高时间分辨率和物种分辨的探测和研究至关重要。　　但是，大多数分子或自由基的激发电离波长都处于极紫外波段(50～150纳米)，而传统激光器产生的基本波长一般在近紫外到近红外波段(300～1000纳米)。这造成了传统激光激发电离微观粒子需要吸收多个光子，其效率和灵敏度会呈几何量级的降低，并且容易把产物打碎。　　为解决该问题，科学家提出了利用自由电子激光产生极紫外波段相干光的技术。该技术被认为是探测微观粒子最有效的途径。自由电子激光的波长可涵盖从硬X射线到远红外的所有波段，特别是利用高增益谐波产生(HGHG)技术产生的自由电子激光具有超高峰值亮度、超快时间特性和良好的相干性，应用价值巨大。　　但该技术直到近十年才在实验中得到验证。其中，中科院上海应用物理所在几年前建设了我国第一个自由电子激光，并成功进行了相关实验。　　而在大连，一位在科研中多年受困于粒子探测难题的科学家坐不住了。他就是以自己研发仪器进行实验而著名的杨学明。杨学明找到上海应用物理所，希望双方能够合作开发新设备。　　上海方面通过经验积累后也意识到，有把握将自由电子激光的波长从200纳米降到150纳米以内，并实现波长可调。于是双方一拍即合，经过几年论证，在2011年联合申请了国家自然科学基金委国家重大科研仪器设备专项。　　1月20日，上海应用物理所宣布：由该所研究员赵振堂领导的自由电子激光研究团队在国际上率先实现了HGHG自由电子激光大范围波长连续可调。　　“在这个项目中，大连化物所和上海应物所是完美结合。”戴东旭表示，上海光源的建成使上海应物所拥有了大科学工程的建设与管理经验，并掌握了大量的关键技术。　　从“敢想”到“敢做”　　据戴东旭介绍，自由电子激光在进入21世纪之后才开始兴旺发展起来。目前，几家研发自由电子激光的相关单位各有所长，其中一些在波长等指标方面较为领先，技术难度很高，但还没有一家可实现波长可调。　　位于合肥的国家同步辐射实验室目前能提供国内真空紫外最好的实验条件，在过去曾协助杨学明课题组做出很好的实验成果。但同步辐射光源毕竟不是激光，在相干性、峰值功率和时间特性上尚存差异。　　针对这些问题，大连化物所从实际需求出发提出要求，上海应用物理所在设计中将目标瞄准解决实验中的实际问题。　　据悉，该项目的设备将主要由我国自主研发。“这项技术国外也处在发展阶段，有些特殊指标只能自己制造，从国外买设备也需要从头研制。”戴东旭说。　　在1.4亿元的项目总预算中，国家自然科学基金委资助1.03亿元用于自由电子激光和实验装置的研制，中科院大连化物所自筹约0.4亿元用于基建和公用设施。该项目的科学目标是研制一套基于HGHG模式的波长可调谐的极紫外相干光源以及利用这一性能优越的光源的实验装置。这也将成为世界上独特的相关基础科学问题的实验平台。　　据悉，目前经费已经到位，装置计划将于2015年年底前建成。而且会在全国实现仪器共享，可应用于物理、化学、生物、能源等多个领域。戴东旭说：“装置建成后，以前测不到的将能测到，以前不好的信号将变清晰，以前做不了的实验也敢做了。”

大连光源 　　1月15日，由中科院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所联合研制的极紫外自由电子激光装置——大连光源，在经过3个多月的调试后，这个总长100米的大装置发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲，单个皮秒激光脉冲产生140万亿个光子，成为世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。　　中科院副院长王恩哥评价称：“大连光源是中科院乃至我国的又一项具有极高显示度的重大科技成果。装置中90%的仪器设备均由我国自主研发，标志着我国在这一领域占据了世界领先地位，为我国未来发展更新一代的高重复频率极紫外自由电子激光打下了坚实的基础。”　　给分子“拍个电影”　　自由电子激光是国际上最先进的新一代先进光源，也是当今世界先进国家竞相发展的重要方向，在科学研究、先进技术、国防科技发展中有着重要的应用前景。先进自由电子激光的发展在前沿科学研究中发挥着越来越重要的作用，特别是近十年来，自由电子激光技术的发展和突破为探索未知物质世界、发现新科学规律、实现技术变革提供了前所未有的研究工具。　　“自由电子激光能够给分子‘拍电影’，比如记录化学键断裂的动态过程，具有非常诱人的应用前景。”中科院上海应物所所长赵振堂说。　　而要拍好这部“电影”，离不开神奇的极紫外光。　　当波长短到100纳米附近时，一个光子所具备的能量就足以电离一个原子或分子而又不会把分子打碎，这个波段的光称为极紫外光。　　“在科学实验中，需要探测的原子或分子数量可能非常少，存在时间也非常短，普通的极紫外光源无法满足这个需求，必须要有高亮度的极紫外光源，即极紫外激光。”中科院大连化物所分子反应动力学国家重点实验室研究员戴东旭解释称，“极紫外激光只能在‘特殊物质’中产生，这个‘特殊物质’就是脱离原子核而单独存在的自由状态的电子。”　　但是，一台运行在极紫外波段的自由电子激光设备在世界上尚属空白。　　这让科学家感到，中国的机会来了。　　中国第一 世界最亮　　在国家自然科学基金委国家重大仪器专项资助下，由大连化物所和上海应物所联合研制的大连光源项目于2012年初正式启动，2014年10月正式在大连长兴岛开工建设，并于2016年9月底安装完成，首次出光。　　至此，大连光源成为我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置，是当今世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置，也是世界上最亮的极紫外光源。　　光源的每一个激光脉冲可产生超过100万亿个光子，波长可在极紫外区域完全连续可调，具有完全的相干性 该激光可以工作在飞秒或皮秒脉冲模式，可以用自放大自发辐射或高增益谐波放大模式运行。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”。　　“大连光源属于第四代光源，在化学、能源、物理、生物、环境等重要研究领域有着广泛的应用，我国率先建成这一先进光源，对推动我国乃至世界在这些领域的研究发展有着极其重要的意义。”中科院院士、中科院大连化物所副所长杨学明说，“大连光源的成功研制也为我国未来发展X波段的自由电子激光打下了坚实基础。”　　例如，举国关注的雾霾问题，就可以利用大连光源来研究。大气中的化学物质与水分子作用后，形成分子团簇，这些团簇在生长过程中吸附大气中各种污染分子，生长为较大的气溶胶颗粒，并逐渐成长为雾霾。利用大连光源极紫外软电离技术，就可以研究雾霾的生长过程，从根本上理解雾霾形成的机理，为大气污染防治提供科学依据。　　在王恩哥看来，在当今世界，大科学工程对于科技发展起着越来越重要的推动作用。大连光源的建成出光，成为我国大科学工程的又一成功范例，将大大促进我国在能源、化学、物理、生物、材料、大气雾霾、光刻等多个重要领域研究水平的提升，为我国科技事业注入新的活力。　　一次握手 造就典范　　大连光源正式开工建设以来，在两年的时间里完成了基建工程以及主体光源装置的研制，并且在很短的时间内调试成功产生了世界上单脉冲最亮的极紫外激光，创造了我国同类大型科学装置建设的新记录。　　这一项目也开创了我国科学研究专家与大科学装置研制专家成功合作的先例，对于未来加快推动大科学装置在科学研究中的应用具有重要的现实意义。　　以科学目标为驱动，让大连光源成为我国大科学装置研制的典范。赵振堂告诉《中国科学报》记者，我国早期的大科学装置，往往都是先建好装置，再去找用户，看看哪些科学家能用。“但是大连光源把这个过程反了过来，是科学家先对科研有了需求，再找到工程团队来合作。这要求我们在建装置之前就充分调研，开工之前就要掌握装置的科学目标是什么。”　　大连化物所的长处是科学研究，而上海应物所团队在大科学装置建设方面积累了20年的经验，两个团队为了相同的梦想走到了长兴岛，合作顺利得出人意料。　　“合作、协同是中科院的优良传统。”赵振堂认为，“现在看来，打破研究所之间藩篱，整合各所力量，集各家之长来建大科学装置，是投入产出比最小、效率最高的一种方式。”　　接下来，大连化物所以及上海应物所的项目专家将进一步把大连光源建设成为高水平的实验研究用户装置，为我国乃至世界提供一个独特的科学研究装置。

【研究背景】快速发展的自由电子激光（FEL）技术在高光子能量下产生了飞秒甚至阿秒的脉冲，使得X射线能够用于状态选择性和相敏多维光谱分析和相干控制。直接和常规测量现有的极紫外（XUV）和X射线自由电子激光脉冲的光谱相位是充分实现这种非线性相干控制概念的关键，以便为它们与物质的相互作用找到和设置最佳的脉冲参数。自放大自发辐射XUV/X射线自由电子激光脉冲的直接时间诊断工具是线性和角度条纹法，它对脉冲的时间形状（包括啁啾）非常敏感。这些方法依赖于一个时间同步且足够强的外场的可用性。诊断SASE辐射脉冲的时间结构的一个补充途径是测量电子束中FEL激光诱导的能量损失（例如使用X波段射频横向偏转腔（XTCAV）），从中可以重建XUV/X射线发射的时间剖面。对于种子自由电子激光脉冲，两个几乎相同的自由电子激光脉冲的产生及其XUV干涉图的评估允许其光谱时间内容的完整表征。在这项工作中，科学家提出了一种直接测量XUV-FEL频率啁啾的技术，而不依赖于任何额外的外场或种子多脉冲方案。由于所报道的技术提供了对XUV辐射光谱时间分布的目标访问，它是对FEL激光性能敏感的用户实验的原位诊断的理想方法。例如，在这里，我们实验观察到频率啁啾对自由电子激光脉冲能量的系统依赖性（增加啁啾以减少脉冲能量）。【成果简介】由最先进的自由电子激光器（FELs）产生的极紫外（XUV）和X射线光子能量的高强度超短脉冲正在给超快光谱学领域带来革命性的变化。为了跨越下一个研究前沿，精确、可靠和实用的光子工具对脉冲的光谱-时间特性的描述变得越来越重要。科学家提出了一种基于基本非线性光学的极紫外自由电子激光脉冲频率啁啾的直接测量方法。它在XUV纯泵浦探针瞬态吸收几何结构中实现，提供了自由电子激光脉冲时能结构的原位信息。利用电离氖靶吸光度随时间变化的速率方程模型，给出了直接从测量数据中提取和量化频率啁啾的方法。由于该方法不依赖于额外的外场，我们期望通过对FEL脉冲特性的原位测量和优化，在FEL中得到广泛的应用，从而使多个科学领域受益。【图文导读】图1：频率分辨等离子体选通原理图2：等离子体选通效应的数值模拟图3：通过瞬态吸收光谱测量XUV-FEL频率啁啾图4：频率啁啾特性，自由电子激光脉冲能量依赖性分析图5：色散对部分相干自由电子激光场的影响原文链接：Measuring the frequency chirp of extreme-ultraviolet free-electron laser pulses by transient absorption spectroscopy | Nature Communications