大连相干光源不止于“造光”，更在于“驭光”？丨探微之光

出品：科普中国

作者：杨超（中国科普作家协会会员、博士）

监制：中国科普博览

在我国大连的长兴岛，坐落着一座神奇的大科学装置——大连相干光源（Dalian Coherent Light Source，DCLS），全称为“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”。这座装置不仅是我国第一台自由电子激光大型用户装置，更是世界上唯一工作在极紫外波段（Extreme Ultra-Violet，EUV，50~150 nm）的自由电子激光装置，也是世界上最亮的极紫外光源。

什么是极紫外光？它是一种波长很短、能量很高的特殊光线，正因为这些特性，让它成为了科学家探索微观世界的“超级探针”。

极紫外光的诞生：一场电子与光的精密舞蹈

这座全长150米的装置由四个关键部分组成：光阴极注入器、电子直线加速器、自由电子激光放大器、光束线及科学实验站。极紫外光的产生过程，宛如一场精心编排的接力赛：

首先，在光阴极注入器中，一束驱动激光照射在特殊材料表面上，“激发”出高品质的电子束团；随后，直线加速器将这些电子束团加速至接近光速，让电子们获得极高的能量；然后，被加速至接近光速的电子束团随后进入自由电子激光放大器，在这里，电子们会遇到一组周期性交替排列的磁场。

以自放大自发辐射运行模式为例，在这个神奇的区域里，电子们一边以接近光速向前飞行，一边按照磁场的节奏左右摆动。这种受控的摆动迫使电子释放出能量，从而产生极紫外辐射。更巧妙的是，产生的辐射场又会反过来与后续的电子相互作用，让电子们自动排列成更加整齐的微观结构。这种自组织过程使得辐射不断增强，最终形成一道亮度极高的极紫外激光。

精准驾驭：科学家如何“定制”极紫外光？

制造出极紫外光只是第一步，更重要的是如何根据科学实验的需要，对光的特性进行精准调控：

波长调节：DCLS的极紫外波长在50-150 nm之间连续可调，可以通过改变种子激光波长和波荡器磁场强度等参数，实现对极紫外光波长的精准调控。

脉冲控制：DCLS的脉冲宽度可以在飞秒和皮秒模式之间切换，通过调节电子束脉冲宽度和种子激光脉冲宽度等参数，即可控制极紫外光的脉冲宽度。

光束传输与聚焦：产生的极紫外光通过光束线传输至各实验站，利用高精度曲面镜对光束进行聚焦、准直，以确保实验站样品点具有合适的光斑尺寸。

极化控制：DCLS还可以通过调整波荡器磁场方向或利用光学元件对光束进行偏振控制，从而获得不同极化状态的极紫外光，满足各实验对光极化的要求。

正是通过这些精密的调控手段，大连相干光源才能从一台单纯的光源装置，转变为一个功能强大的科学研究平台。

大连相干光源的建成并稳定运行，体现了现代加速器技术、超快激光技术与精密控制技术的深度结合。它不仅是产生极紫外光的科学平台，更是一台能够按科学家需求“量身定制”光子特性的精密仪器。这座装置的独特性能，正在推动我国在能源催化、量子材料、大气环境等前沿科学领域取得重要突破，为人类认识微观世界提供了前所未有的研究手段。