建可調波紫外自由電子激光器

　摘要：3月12日，總預算達1.4億元的重大科研儀器設備專項“基于可調紫外相干光源的綜合實驗研究裝置”在大連正式啟動。它將成為上一套工作在50～150納米區(qū)間且波長可調的全相干高亮度的自由電子激光器。

　　對原子、分子的探測是物理化學研究的基礎，但由于現(xiàn)有儀器設備的限制，大多數(shù)分子和自由基難以被單光子電離，使很多研究無法深入，成為困擾科研工作者的一大難題。

　　一項旨在解決該難題的實驗裝置即將在我國建設。3月12日，總預算達1.4億元的重大科研儀器設備專項“基于可調紫外相干光源的綜合實驗研究裝置”在大連正式啟動。它將成為上一套工作在50～150納米區(qū)間且波長可調的全相干高亮度的自由電子激光器。

　　項目總負責人、中科院院士楊學明表示，該裝置的研制將大提升我國在能源等相關基礎科學領域的實驗水平，并有希望成為上相關領域的一個重要研究基地。

　　強強聯(lián)合

　　項目負責人之一、中科院大連化物所研究員戴東旭介紹說，能源研究中，煤的熱解等燃燒過程的中間產(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被測試到。因此，對微觀粒子的高靈敏度、高時間分辨率和物種分辨的探測和研究至關重要。

　　但是，大多數(shù)分子或自由基的激發(fā)電離波長都處于紫外波段(50～150納米)，而傳統(tǒng)激光器產(chǎn)生的基本波長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光子，其效率和靈敏度會呈幾何量級的降低，并且容易把產(chǎn)物打碎。

　　為解決該問題，科學家提出了利用自由電子激光產(chǎn)生紫外波段相干光的技術。該技術被認為是探測微觀粒子有效的途徑。自由電子激光的波長可涵蓋從硬X射線到遠紅外的所有波段，特別是利用高增益諧波產(chǎn)生(HGHG)技術產(chǎn)生的自由電子激光具有超高峰值亮度、超快時間特性和良好的相干性，應用價值巨大。

　　但該技術直到近十年才在實驗中得到驗證。其中，中科院上海應用物理所在幾年前建設了我國個自由電子激光，并成功進行了相關實驗。

　　而在大連，一位在科研中多年受困于粒子探測難題的科學家坐不住了。他就是以自己研發(fā)儀器進行實驗而的楊學明。楊學明找到上海應用物理所，希望雙方能夠合作開發(fā)新設備。

　　上海方面通過經(jīng)驗積累后也意識到，有把握將自由電子激光的波長從200納米降到150納米以內(nèi)，并實現(xiàn)波長可調。于是雙方一拍即合，經(jīng)過幾年論證，在2011年聯(lián)合申請了自然科學基金委重大科研儀器設備專項。

　　1月20日，上海應用物理所宣布：由該所研究員趙振堂領導的自由電子激光研究團隊在上率先實現(xiàn)了HGHG自由電子激光大范圍波長連續(xù)可調。

　　“在這個項目中，大連化物所和上海應物所是結合。”戴東旭表示，上海光源的建成使上海應物所擁有了大科學工程的建設與管理經(jīng)驗，并掌握了大量的關鍵技術。

　　從“敢想”到“敢做”

　　據(jù)戴東旭介紹，自由電子激光在進入21世紀之后才開始興旺發(fā)展起來。目前，幾家研發(fā)自由電子激光的相關單位各有所長，其中一些在波長等指標方面較為，技術難度很高，但還沒有一家可實現(xiàn)波長可調。

　　位于合肥的同步輻射實驗室目前能提供真空紫外好的實驗條件，在過去曾協(xié)助楊學明課題組做出很好的實驗成果。但同步輻射光源畢竟不是激光，在相干性、峰值功率和時間特性上尚存差異。

　　針對這些問題，大連化物所從實際需求出發(fā)提出要求，上海應用物理所在設計中將目標瞄準解決實驗中的實際問題。

　　據(jù)悉，該項目的設備將主要由我國研發(fā)。“這項技術國外也處在發(fā)展階段，有些特殊指標只能自己制造，從國外買設備也需要從頭研制。”戴東旭說。

　　在1.4億元的項目總預算中，自然科學基金委資助1.03億元用于自由電子激光和實驗裝置的研制，中科院大連化物所自籌約0.4億元用于基建和公用設施。該項目的科學目標是研制一套基于HGHG模式的波長可調諧的紫外相干光源以及利用這一性能優(yōu)越的光源的實驗裝置。這也將成為上獨特的相關基礎科學問題的實驗平臺。

　　據(jù)悉，目前經(jīng)費已經(jīng)到位，裝置計劃將于2015年年底前建成。而且會在實現(xiàn)儀器共享，可應用于物理、化學、生物、能源等多個領域。戴東旭說：“裝置建成后，以前測不到的將能測到，以前不好的信號將變清晰，以前做不了的實驗也敢做了。”