光源介绍

先进光源的发展在前沿科学研究中发挥的作用越来越重要。近几十年来,自由电子激光技术的突破为科学家们提供了探索未知世界、发现新科学规律、实现技术变革的重要工具。自由电子激光技术的发展推动物质科学的实验研究由宏观体系深入到单个原子和分子尺度体系、从静态过程到超快的动态过程、从理想实验环境下的研究逐步转向接近真实反应条件下的研究。具有高亮度、超快特性的极紫外自由电子激光可以高效地激发原子分子的外层电子并电离分子自由基,将成为在原子分子层次上,并且在超快时间尺度上研究重要的物理、化学、生物等过程。

“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”(简称“大连相干光源”)项目是国家自然科学基金委员会于2012年立项资助的国家重大科研仪器研制项目(部门推荐)。项目资助总经费为1.03亿元,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,项目负责人为杨学明院士。

大连相干光源是一台采用高增益谐波放大运行模式的极紫外自由电子激光用户装置,是一种以相对论高品质电子束作为工作介质,在周期磁场中以受激发射方式放大电磁辐射的新型强相干激光光源。该装置是我国第一台自由电子激光大型用户装置,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,也是世界上最亮的极紫外光源。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,被称为“第四代先进光源”,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。借助这些优异性能,科学家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。而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,有助于科学家在原子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、材料等领域具有显著的推动作用。

2011年,由杨学明、赵振堂、王东领导的中国科学院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所相关专家组成的联合研发团队提出了在我国率先建设基于新一代极紫外高增益自由电子激光(大连光源)综合实验装置的计划。这一项目通过中国科学院推荐申请,经过严格评审之后于2012年获得了国家自然科学基金委国家重大科学仪器研制项目的立项资助,资助金额1.03亿元,依托单位为中国科学院大连化学物理研究所,合作单位为中国科学院上海应用物理研究所。通过国际自由电子激光同行专家反复论证,项目于2013年12月确定了装置的技术方案,2014年10月22日正式开工建设。2016年9月24日,在不到两年的时间里完成了主要基建工程和主体光源装置的研制并实现首次出光,创造了同类大型科学装置建设的新纪录。2016年11月25日,自由电子激光自发辐射自放大模式(SASE)调试成功,首次实现了SASE模式的增益饱和。2017年1月15日,自由电子激光高增益谐波放大模式(HGHG)成功饱和输出。

项目组历时6年多的时间,完成了装置的设计、研制、安装、调试等多个环节的技术攻关。特别是两个研发团队精诚合作,在不到两年的时间里,便完成了主要基建工程和主体光源装置的研制,并实现了光源装置的首次出光,创造了国内同类大型科学装置建设的新记录。之后,经过卓有成效的调试,该装置相继成功实现了自由电子激光自发辐射自放大模式(SASE)和高增益谐波放大模式(HGHG)的饱和输出,单个脉冲长度为皮秒或百飞秒量级,包含超过100万亿(1014)个光子,波长可在整个极紫外区域(50-150纳米)完全连续可调,具有完全的相干性。此外,联合研发团队还在世界上首次在种子型自由电子激光中采用了“taper波荡器”技术,使得HGHG模式的极紫外激光脉冲峰值功率达到了210微焦,是设计指标的2倍。

大连相干光源可被喻为“照亮微观世界的超快超亮极紫外闪光灯”,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,这在以往是难以想象的,因此,大连相干光源将成为化学、物理、生物、能源、环境等相关科学领域中独一无二的研究工具,对于我国相关学科的科技进步具有重要的推动作用。该装置中90%的仪器设备均由我国自主研发,标志着我国在该领域相关技术已达国际先进水平,有望引领全球极紫外自由电子激光及相关领域的发展。

此外,在成功研制大连相干光源的基础上,我们正在积极推动更加先进的“高重复频率极紫外自由电子激光装置”(以下简称“大连先进光源”,暨大连光源二期)的申请建设工作,争取纳入国家“十四五”规划。大连先进光源将采用超导加速技术,可以将电子束分配到多条波荡器线中,产生不同性能的多束极紫外激光,提供给多个用户,满足多学科研究的需求。这一革命性的先进光源将极大地推动和引领世界科技前沿,有望在能源化学等多个基础科学领域产生世界领先的研究成果,在极紫外光刻以及和半导体微纳加工技术等“卡脖子”领域具有重大的应用前景,将成为推动我国科技进步的“利器”。



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