自由電子激光器的工作波長(zhǎng)越短，則技術(shù)難度越高。圖為自由電子激光器的內(nèi)部工作模擬圖（資料圖）
對(duì)原子、分子的探測(cè)是物理化學(xué)研究的基礎(chǔ)，但由于現(xiàn)有儀器設(shè)備的限制，大多數(shù)分子和自由基難以被單光子電離，使很多研究無(wú)法深入，成為困擾科研工作者的一大難題。
一項(xiàng)旨在解決該難題的實(shí)驗(yàn)裝置即將在我國(guó)建設(shè)。3月12日，總預(yù)算達(dá)1.4億元的國(guó)家重大科研儀器設(shè)備專項(xiàng)“基于可調(diào)極紫外相干光源的綜合實(shí)驗(yàn)研究裝置”在大連正式啟動(dòng)。它將成為國(guó)際上唯一一套工作在50～150納米區(qū)間且波長(zhǎng)可調(diào)的全相干高亮度的自由電子激光器。
項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人、中科院院士楊學(xué)明表示，該裝置的研制將極大提升我國(guó)在能源等相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)水平，并極有希望成為國(guó)際上相關(guān)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究基地。
強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一、中科院大連化物所研究員戴東旭介紹說(shuō)，能源研究中，煤的熱解等燃燒過(guò)程的中間產(chǎn)物往往以原子、分子、自由基的形式存在，這些微觀粒子被電離為離子后才能變成電信號(hào)被測(cè)試到。因此，對(duì)微觀粒子的高靈敏度、高時(shí)間分辨率和物種分辨的探測(cè)和研究至關(guān)重要。
但是，大多數(shù)分子或自由基的激發(fā)電離波長(zhǎng)都處于極紫外波段（50～150納米），而傳統(tǒng)激光器產(chǎn)生的基本波長(zhǎng)一般在近紫外到近紅外波段（300～1000納米）。這造成了傳統(tǒng)激光激發(fā)電離微觀粒子需要吸收多個(gè)光子，其效率和靈敏度會(huì)呈幾何量級(jí)的降低，并且容易把產(chǎn)物打碎。
為解決該問(wèn)題，科學(xué)家提出了利用自由電子激光產(chǎn)生極紫外波段相干光的技術(shù)。該技術(shù)被認(rèn)為是探測(cè)微觀粒子最有效的途徑。自由電子激光的波長(zhǎng)可涵蓋從硬X射線到遠(yuǎn)紅外的所有波段，特別是利用高增益諧波產(chǎn)生（HGHG）技術(shù)產(chǎn)生的自由電子激光具有超高峰值亮度、超快時(shí)間特性和良好的相干性，應(yīng)用價(jià)值巨大。
但該技術(shù)直到近十年才在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。其中，中科院上海應(yīng)用物理所在幾年前建設(shè)了我國(guó)第一個(gè)自由電子激光，并成功進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
而在大連，一位在科研中多年受困于粒子探測(cè)難題的科學(xué)家坐不住了。他就是以自己研發(fā)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而著名的楊學(xué)明。楊學(xué)明找到上海應(yīng)用物理所，希望雙方能夠合作開(kāi)發(fā)新設(shè)備。
3月12日，總預(yù)算達(dá)1.4億元的國(guó)家重大科研儀器設(shè)備專項(xiàng)“基于可調(diào)極紫外相干光源的綜合實(shí)驗(yàn)研究裝置”在大連正式啟動(dòng)。（資料圖）
上海方面通過(guò)經(jīng)驗(yàn)積累后也意識(shí)到，有把握將自由電子激光的波長(zhǎng)從200納米降到150納米以內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)。于是雙方一拍即合，經(jīng)過(guò)幾年論證，在2011年聯(lián)合申請(qǐng)了國(guó)家自然科學(xué)基金委國(guó)家重大科研儀器設(shè)備專項(xiàng)。
1月20日，上海應(yīng)用物理所宣布：由該所研究員趙振堂領(lǐng)導(dǎo)的自由電子激光研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了HGHG自由電子激光大范圍波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)。
“在這個(gè)項(xiàng)目中，大連化物所和上海應(yīng)物所是完美結(jié)合。”戴東旭表示，上海光源的建成使上海應(yīng)物所擁有了大科學(xué)工程的建設(shè)與管理經(jīng)驗(yàn)，并掌握了大量的關(guān)鍵技術(shù)。
從“敢想”到“敢做”
據(jù)戴東旭介紹，自由電子激光在進(jìn)入21世紀(jì)之后才開(kāi)始興旺發(fā)展起來(lái)。目前，幾家研發(fā)自由電子激光的相關(guān)單位各有所長(zhǎng)，其中一些在波長(zhǎng)等指標(biāo)方面較為領(lǐng)先，技術(shù)難度很高，但還沒(méi)有一家可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)。
位于合肥的國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室目前能提供國(guó)內(nèi)真空紫外最好的實(shí)驗(yàn)條件，在過(guò)去曾協(xié)助楊學(xué)明課題組做出很好的實(shí)驗(yàn)成果。但同步輻射光源畢竟不是激光，在相干性、峰值功率和時(shí)間特性上尚存差異。
針對(duì)這些問(wèn)題，大連化物所從實(shí)際需求出發(fā)提出要求，上海應(yīng)用物理所在設(shè)計(jì)中將目標(biāo)瞄準(zhǔn)解決實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際問(wèn)題。
據(jù)悉，該項(xiàng)目的設(shè)備將主要由我國(guó)自主研發(fā)。“這項(xiàng)技術(shù)國(guó)外也處在發(fā)展階段，有些特殊指標(biāo)只能自己制造，從國(guó)外買設(shè)備也需要從頭研制。”戴東旭說(shuō)。
在1.4億元的項(xiàng)目總預(yù)算中，國(guó)家自然科學(xué)基金委資助1.03億元用于自由電子激光和實(shí)驗(yàn)裝置的研制，中科院大連化物所自籌約0.4億元用于基建和公用設(shè)施。該項(xiàng)目的科學(xué)目標(biāo)是研制一套基于HGHG模式的波長(zhǎng)可調(diào)諧的極紫外相干光源以及利用這一性能優(yōu)越的光源的實(shí)驗(yàn)裝置。這也將成為世界上獨(dú)特的相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
據(jù)悉，目前經(jīng)費(fèi)已經(jīng)到位，裝置計(jì)劃將于2015年年底前建成。而且會(huì)在全國(guó)實(shí)現(xiàn)儀器共享，可應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物、能源等多個(gè)領(lǐng)域。戴東旭說(shuō)：“裝置建成后，以前測(cè)不到的將能測(cè)到，以前不好的信號(hào)將變清晰，以前做不了的實(shí)驗(yàn)也敢做了。”
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