物理学家杨振宁高度关注的X射线自由电子激光研究项目

自由电子激光器

激光是二十世纪最伟大的发明之一，自由电子激光是激光家族的一个新成员。自由电子激光的基本原理是通过自由电子和辐射的相互作用，电子将能量转送给辐射而使辐射强度增大,由于它的工作介质是自由电子，因此称为自由电子激光，这种激光的特点是激光波长和脉冲结构可以根据需要进行设计，并且能够在大范围内连续调节，例如:频率连续可调，频谱范围广，峰值功率和平均功率大，且可调，相干性好，偏振强，具有ps量级脉冲的时间结构，且时间结构可控，等等,因此自由电子激光有着重要的应用前景。

由于自由电子激光器具有许多一般激光器望尘莫及的优点，所以自由电子激光器问世后不久，科学家们就开始着手于研究它的应用问题。自由电子激光特别适宜于研究光与原子、分子和凝固态物质的相互作用，这类研究涉及到固体表面物理、半导体物理、超导体、凝聚态物理、化学、光谱学、非线性光学、生物学、医学、材料、能源、通信、国防和技术科学等多个方面。原子核工程是自由电子激光器应用最有前途的领域之一，自由电子激光器在此应用上的最大优点是高功率、宽可调光谱范围，以及准连续运转特点。因此，可应用于物质提纯、受控核聚变、铀、钆、硼、锶和钛等元素的同位素分离和等离子体加热等。自由电子激光从出现至今刚刚经历了20个年头，尚处于发展的初期阶段，技术还不成熟，但自由电子激光性能上无可比拟的优点，越来越引起科学界、军事界、医学界的高度重视。已成为科学技术领域最活跃的领域之一。

近日，韩国浦项加速器研究所的“梦想光工厂”——第四代放射光加速器（PAL-XFEL）项目正式宣告开工建设。目前，浦项研究所正在运转的第三代放射光加速器全长170米，激光能源为3GeV（1GeV = 10亿eV），光的亮度为太阳的一亿倍左右。而第四代放射光加速器长达710米，加上插入装置（250米）和其他装备的话，全长将达1100米。据悉，现在只有美国（LCLS）和日本（SCSS）拥有这一性能的放射光加速器。如果该第四代放射光加速器能够按照计划在2014年年末竣工，韩国将成为第三个拥有这一设备的国家，届时将制造出比太阳还要亮100万万亿倍的光线。

韩国浦项加速器研究所的第四代放射光加速器已正式宣告开工建设

第四代放射光加速器就是指X射线自由电子激光（Free Electron Laser，FEL），它是一种以相对论高品质电子束作为工作介质，在周期磁场中，以受激发射方式放大电磁辐射的新型激光光源。是二十一世纪诞生的最新一代的先进光源，是激光物理与等离子物理中的一个重要研究领域。由于同时具有极高的峰值亮度（高于第三代同步辐射光源8-10个数量级）、超短的脉冲（飞秒到阿秒）和极好的相干性等优越特性，已经被科学界视为最新一代的光子科学综合实验装置，在物理、化学、生物、医学、能源、环境等等领域具有重大的应用价值。

目前，X射线激光研究多采用毛细管放电、 高功率激光的多脉冲和短脉冲等抽运方式，而且绝大多数研究局限于软X射线波段。世界上第一台软X射线自由电子激光（FLASH）于2006年诞生于德国同步加速器实验室（DESY），第一台硬X射线自由电子激光（LCLS）也于2009年在美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）调试成功。迄今为止科学家们已经利用这两台最新的超高亮度相干辐射光源做出了一系列开创性的科学研究成果。此外，还有数台X射线FEL正在亚洲、欧洲和美国等地建设和预研中。另外，已有一批世界著名科学家利用软X射线到硬X射线的自由电子激光用户装置做出重要的实验结果。

目前对X射线自由电子激光装置的科学需求十分强烈，对于建设高亮度多用户的新装置存在普遍的呼声和期待。除已经建成的美国、欧洲和日本的大型自由电子激光装置以外，意大利、美国、韩国和瑞士等国家也在建设软X射线到硬X射线的新用户装置。目前世界范围内的高增益X射线自由电子激光装置正进入高速发展阶段，第四代先进光源的概念和全球布局已经初步形成。

l  中国的X射线自由电子激光装置

出于对中国发展X射线自由电子激光的极大关注，著名的诺贝尔奖获得者、物理学家杨振宁先生早前参加“X射线自由电子激光（XFEL）的最新进展”报告时指出，X射线自由电子激光将在21世纪前期取得重大突破性发展，此项技术目前还在发展的初始阶段，正是中国参与的上好机会。他相信中国人的聪明才智，相信党和政府的杰出组织能力，只要给予足够重视，定能在该领域进入世界先进行列。同时，杨振宁先生从1997年5月开始还先后8次给我国有关部门和有关领导写信，呼吁中国尽快开展X射线自由电子激光的预研究。为此，国家科学技术中长期发展计划相关研究报告已明确建议“立即制订并分阶段实施从深紫外起步以X射线为最终目标的自由电子激光系统总体发展计划”。

著名物理学家杨振宁先生高度关注X射线自由电子激光

据中国科学院副院长江绵恒表示，中国科学院正在进行“第四代光源”---自由电子激光光源的预研，并已经做出了“很好的结果”。早在1994年，高能所曾研制成功中红外波段的北京自由电子激光装置，在亚洲第一个实现了饱和出光。自2000年起，在中国科学院、科技部、国家自然科学基金委的先后支持下，上海应用物理所、高能所和中国科技大学以及北京大学已联合开展深紫外自由电子激光的前期和预制研究工作。2009年，我国世界一流的中能“第三代同步辐射光源”——上海光源（SSRF）的竣工验收，我国也已经积极进行更先进光源的前瞻部署。但这些部署对于发展X射线自由电子激光过于薄弱，我国要跨越发展到X射线自由电子激光，仍存在很多的技术空白和技术难点。

江绵恒还表示，自由电子激光光源已在国际上加速发展起来，美国SLAC的X射线自由电子激光已经出光，德国、日本、韩国等也均已起步，并已被提到战略高度予以部署和实施，我国也应该加快发展自由电子激光光源。希望在预研后，再向国家申请建设硬X射线的用户装置，就可以将我国与先进国家在光子科学领域的发展差距缩短到10—15年。

此前，中国科学院已经向国家建议，在上海光源的北面，建设一台软X射线自由电子激光试验装置，开展短波长自由电子激光装置的预先研究。据悉，今年总长为300米的第四代光源装置“上海X射线自由电子激光”有望在上海张江科技园区内动工，标志着我国大型先进光源的发展进入全新的阶段。

l  中科院上海应用物理研究所上海光源

中科院上海应用物理研究所上海光源位于上海张江科技园区里。“上海光源”光源能量位居世界第四，是世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源之一。“上海光源”具有建设60条以上光束线和上百个实验站的能力，每天可容纳几百名科研人员。这些实验站便是上海光源发挥作用的舞台。

位于上海张江科技园区里中科院上海应用物理研究所

踏进实验站，十几名科研人员正在紧张地工作。旁边，一座新的实验站正在修建，身穿灰色制服的工人正在仔细地安装仪器，身旁的氮气罐正冒着白气。在这个大型的光源里，基建、维护、服务和科研工作一样，时刻都在井井有条地进行着。

穿过一条走廊，前来探秘的记者走进了实验站的内部。灰色是上海光源内部的主色调，显得稳重而严肃。而螺旋形的加速器通道则是整个光源内部的主要结构。站在上海光源大厅里的沙盘模型前，负责接待记者的上海应物所研究员、自由电子激光部主任王东告诉记者：“在这个硕大的圆形装置中，注入器提供电子束并使其加速到所需能量，电子束以接近光速在闭合环形的真空电子储存环中运行，并在磁场作用下放出同步辐射光，同步辐射光在实验站里‘照射’到各种实验样品上，科学仪器记录下实验样品的反应信息或变化，经处理后变成一系列图像。”

工作人员向来访记者介绍上海光源的内部结构

对于记者关注的实验室是否存在放射性辐射泄露的安全疑问，上海应物所大装置部负责光源工作的闫山川则告诉记者：“加速器隧道中确实存在有辐射，不过加速器隧道浇筑了1米多厚的混凝土，以保证工作人员的绝对”

在高质量地运行上海光源的同时，上海应物所还在大力开展下一代先进光源的研究。如今，上海应物所技术团队已经完成“高增益谐波产生自由电子激光放大饱和”实验，使我国成为继美国后世界第二个掌握这项技术的国家。

同时，出自上海光源的“光”不仅照亮了自然界的真相，也照亮了中国科学的未来。王东向记者介绍了这些年来科学家利用上海光源取得的重大成果。比如：

1.  今年1月，复旦大学环境科学与工程系唐幸福课题组在抗碱金属脱硝（SCR）催化剂研究方面取得了突破性进展，该研究在控制氮氧化物的排放及减少大气中细颗粒物（PM2.5）污染等方面具有重要应用价值。

2.  2012年，清华大学结构生物学中心颜宁、施一公研究组利用“生物大分子晶体学光束线站”，揭示了一类蛋白特异识别其靶标基因的分子基础。

3.  更早一些的还有，在2011年，在“X射线小角度衍射线站”的配合下，浙江大学教授高超研究组发现了氧化石墨烯的手性液晶相行为，这项工作为提出新的结构模型打下了基础。

来源：激光网

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