中國第一,世界最亮
2017年1月15日,中科院研制的“大連光源”發出了世界上最強的極紫外自由電子激光脈沖,單個皮秒激光脈沖產生140萬億個光子,成為世界上最亮且波長完全可調的極紫外自由電子激光光源。
“大連光源”是中國第一臺大型自由電子激光科學研究用戶裝置,是當今世界上唯一運行在極紫外波段的自由電子激光裝置,如今也是世界上最亮的極紫外光源。
什么是極紫外光?
光的本質是電磁波,同時也是粒子,光子本身帶有能量,波長越短,光子的能量就越高??梢姽獾牟ㄩL大致處于400-700納米之間(1納米等于10億分之一米),其光子能量可以刺激人的視覺細胞產生信號,而波長小于可見光的紫外光因為光子能量高,就會對人體產生危害,比如UVA(320-400nm)和UVB(270-320nm)紫外光。而當波長短到100納米附近時,一個光子所具備的能量就足以電離一個原子或分子而又不會把分子打碎,這個波段的光稱為極紫外光。
極紫外光有什么用?
自由電子激光是國際上最先進的新一代先進光源,也是當今世界先進國家競相發展的重要方向,在科學研究、先進技術、國防科技發展中有著重要的應用前景。
很多物理和化學過程在本質上都是原子和分子過程,比如臭氧層空洞的形成涉及到大氣上層臭氧分子(O3)的淬滅機制,霧霾的形成涉及到污染物分子(SO2、CO等)聚集過程,燃燒過程涉及到氧原子或氧分子與其它分子的反應等一系列過程。要控制或利用這些物理和化學過程,就需要在實驗室里研究這些過程所涉及到的原子和分子的反應機制,因此就需要精確并且高靈敏度地探測所涉及到原子和分子。自由電子激光能夠給分子“拍電影”,比如記錄化學鍵斷裂的動態過程,具有非常誘人的應用前景。
在科學實驗中,需要探測的原子或分子數量可能非常少,存在時間也非常短,普通的極紫外光源無法滿足這個需求,必須要有高亮度的極紫外光源,即極紫外激光。極紫外激光只能在脫離原子核而單獨存在的自由狀態的電子中產生。
舉國關注的霧霾問題,就可以利用大連光源來研究。在極紫外光照射下的區域內,幾乎所有的原子和分子都“無處遁形”。大氣中的化學物質與水分子作用后,形成分子團簇,這些團簇在生長過程中吸附大氣中各種污染分子,生長為較大的氣溶膠顆粒,并逐漸成長為霧霾。利用大連光源極紫外軟電離技術,能夠解析大氣化學中性團簇的精細結構,揭示大氣中氣溶膠的成核動力學機制。
世界上90%的能源來自于燃燒,高效利用能源以及減少污染排放是重要的世界性問題。極紫外光可利用單光子電離的方法靈敏探測燃燒中間反應步驟和中間體的理想光源,為闡明燃燒過程中的化學機理提供堅實的基礎。
“大連光源”的特點
“大連光源”的每一個激光脈沖可以發出超過10萬億個光子;波長可在50nm到150nm之間完全連續可調,具有完全的相干性;該激光可以工作在飛秒或皮秒脈沖模式,可以用SASE(自放大自發輻射)或HGHG(高增益諧波放大)模式運行。
因此,“大連光源”可被用于觀測與燃燒、大氣以及潔凈能源相關的物理化學過程,將大大促進中國在能源、光學、物理、生物、材料、大氣霧霾、光刻等多個重要領域研究水平的提升。
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