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大连光源，可以为原子拍摄视频(新知识)
几天前，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的“大连光源”发射了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲。一个皮秒(一皮秒等于一万亿分之一秒)的激光脉冲产生140万亿光子。这个100米长的装置已经成为世界上最亮的波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。
自由电子激光器是世界上最新一代的先进光源。这也是世界发达国家发展的一个重要方向。在科学研究和国防科技发展中具有重要的应用前景。
“大连光源”是中国第一台大型自由电子激光科研用户设备。它是当今世界上唯一工作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。这也是继“合肥光源”和“上海光源”之后的又一次重要探索。什么是极端紫外光，这种先进科学仪器的基本原理是什么，它将有什么应用？
光源很亮，脉冲很短，微观世界看得更清楚。
人类已经知道许多物理和化学过程本质上是原子和分子运动的过程。为了控制或利用这些过程，有必要研究所涉及的原子和分子的反应机理，也有必要精确和高灵敏度地检测所涉及的原子和分子。
自19世纪以来，电和电磁波已经成为人类认识和感知物质世界的最重要的媒介和手段。例如，声音通过麦克风被转换成电信号，然后被处理和传输。人类研究原子和分子反应机制最直接的方法是将它们转化为易于识别和处理的电信号。这个过程是从原子或分子中“敲出”(电离)电子，从而获得原子和分子以及物质的结构和动态信息，从而在微观层面探索物质世界的奥秘。
现代物理学证明了光具有波粒二象性，即电磁波和粒子。光子本身有能量。波长越短，光子的能量越高。当光的波长约为100纳米时，光子有足够的能量电离原子或分子，而不会使它们分裂。这个波段的光被称为极紫外光。然而，在科学实验中，待检测的原子或分子数量可能很少，存在时间也很短，因此普通的极紫外光源不能满足这一要求，因此必须提供一种高亮度的极紫外光源，即极紫外激光器。“光源很亮，可以更清楚地看到微观世界。脉冲很短，我们可以看到分子和原子在物理和化学变化中的超快过程。”中科院大连化学物理研究所副所长杨院士说。
最亮的“闪光灯”和最快的“快门”可以让分子和原子“无处藏身”
极紫外激光可以电离构成普通物质的几乎所有原子和分子。因此，极紫外激光不能在普通物质中产生和放大，而只能在“特殊物质”中产生，这些“特殊物质”是从原子核中分离出来并独立存在的处于自由状态的电子。
根据电动力学原理，加速电子向外辐射电磁波，振荡电子有很强的辐射电磁波的能力。普通的无线信号，无论是电视还是手机，都是通过驱动电子在天线中来回振荡来发射电磁波的。
大连光源由加速器、波荡器和束线站组成。首先，时间宽度为几皮秒的脉冲激光器(驱动激光器)在光电阴极上发射一簇高密度脉冲电子。然后，使用线性加速器将脉冲电子束加速到3亿电子伏的能量。电子的速度非常接近光速。另一束皮秒或类似时间宽度的强激光(种子激光)照射在高能电子束上。在种子激光的作用下，电子束中的电子将根据激光的波长在空之间重新分布(调制)，然后调制的电子束将继续通过一系列周期性变化的磁场。电子将在周期性磁场中以光速向前飞行，同时左右摆动向前辐射光线。途中从不同地方发出的光将被叠加和增强，同时，由电子本身发出的光将分布在调制电子自身的空中，从而使电子发出的光更强。如果适当选择周期性磁场的强度，种子激光器中的谐波分量将以上述方式快速自激、放大和饱和，从而输出极紫外激光。
“‘大连光源’有最亮的‘闪光灯’，峰值功率的亮度比阳光高100亿倍，而且有最快的‘快门’。发射的光的长度可以达到飞秒(1飞秒等于1000亿分之一秒)和皮秒。它不仅能使分子和原子“无处可藏”，还能“拍摄”它们，并动态记录物理和化学反应的全过程。上海应用物理研究所所长赵用一系列比喻来说明大连光源的巨大用途。
它被广泛使用，有助于理解烟雾形成的机理。
大连光源采用了一系列先进技术，包括引进双馈电子直线加速器和楔形波荡器技术。自行设计制造的激光驱动整形系统及其稳定性达到国际先进水平。该项目在两年内完成了基本建设项目和主要光源装置的开发，并在三个月内成功调试，创下了中国同类大型科学装置建设的新纪录。中国科学院副院长王恩格院士说:“大连光源的建成，成为中国重大科技项目的又一成功范例，将为中国科技事业注入新的活力。”
"作为真正的用户设备，《大连光源》将成为面向世界的研究平台."杨对说道。“大连光源”建成后，将成为当今世界上最强的极紫外波段自由电子激光器，是研究与原子和分子过程有关的物理和化学科学问题的利器。“大连光源”综合实验装置还依托紫外相干光源，开发了一系列国际先进的研究燃烧、大气和清洁能源相关物理化学过程的实验站，使该装置成为相关研究领域不可替代的研究平台。
据了解，“大连光源”广泛应用于燃烧化学、极紫外光刻、生物分子结构与动力学、大气烟雾化学等领域。“以大气烟雾为例。大气中的化学物质与水分子反应形成分子团。这些团簇在生长过程中吸收各种污染物分子，生长成更大的气溶胶粒子，并逐渐生长成烟雾。利用大连光源的紫外软电离技术，可以研究烟雾的生长过程，从根本上了解烟雾的形成机理，为大气污染的防治提供科学依据。”大连化学物理研究所的研究员张维庆说。
扩展阅读
合肥光源
1983年4月，中国科技大学国家同步辐射实验室正式立项建设中国第一个专用同步辐射光源——合肥光源。合肥光源建于1989年，发出了中国第一盏“神灯”。利用合肥光源，中国首次完成了月球探测卫星嫦娥一号太阳风离子探测器的标定和测试，并首次获得了X射线全息图像。
上海光源
1999年，“上海光源”项目前期研究工作正式启动，2009年完成并投入运行。
“上海光源”实际上相当于一个巨大的“超级显微镜”，可以拍摄微观世界的高清科学照片，如花卉、植物和树木的呼吸过程、人体蛋白质分子活动等。“上海光源”建成后，发光稳定性保持良好，进一步拓宽了中国科学家的探索视野。
