自主科研仪器再起航——我国斥资1.4亿建国际唯一的波长可调极紫外自由电子激光

中国教育装备采购网2012-06-19 12:46围观438次我要分享

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自由电子激光器的工作波长越短,则技术难度越高。图为自由电子激光器的内部工作模拟图

  对原子、分子的探测是物理化学研究的基础,但由于现有仪器设备的限制,大多数分子和自由基难以被单光子电离,使很多研究无法深入,成为困扰科研工作者的一大难题。

  一项旨在解决该难题的实验装置即将在我国建设。3月12日,总预算达1.4亿元的国家重大科研仪器设备专项“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”在大连正式启动。它将成为国际上唯一一套工作在50~150纳米区间且波长可调的全相干高亮度的自由电子激光器。

  项目总负责人、中科院院士杨学明表示,该装置的研制将极大提升我国在能源等相关基础科学领域的实验水平,并极有希望成为国际上相关领域的一个重要研究基地。

  强强联合

  项目负责人之一、中科院大连化物所研究员戴东旭介绍说,能源研究中,煤的热解等燃烧过程的中间产物往往以原子、分子、自由基的形式存在,这些微观粒子被电离为离子后才能变成电信号被测试到。因此,对微观粒子的高灵敏度、高时间分辨率和物种分辨的探测和研究至关重要。

  但是,大多数分子或自由基的激发电离波长都处于极紫外波段(50~150纳米),而传统激光器产生的基本波长一般在近紫外到近红外波段(300~1000纳米)。这造成了传统激光激发电离微观粒子需要吸收多个光子,其效率和灵敏度会呈几何量级的降低,并且容易把产物打碎。

  为解决该问题,科学家提出了利用自由电子激光产生极紫外波段相干光的技术。该技术被认为是探测微观粒子最有效的途径。自由电子激光的波长可涵盖从硬X射线到远红外的所有波段,特别是利用高增益谐波产生(HGHG)技术产生的自由电子激光具有超高峰值亮度、超快时间特性和良好的相干性,应用价值巨大。

  但该技术直到近十年才在实验中得到验证。其中,中科院上海应用物理所在几年前建设了我国第一个自由电子激光,并成功进行了相关实验。

  而在大连,一位在科研中多年受困于粒子探测难题的科学家坐不住了。他就是以自己研发仪器进行实验而著名的杨学明。杨学明找到上海应用物理所,希望双方能够合作开发新设备。

  上海方面通过经验积累后也意识到,有把握将自由电子激光的波长从200纳米降到150纳米以内,并实现波长可调。于是双方一拍即合,经过几年论证,在2011年联合申请了国家自然科学基金委国家重大科研仪器设备专项。

  1月20日,上海应用物理所宣布:由该所研究员赵振堂领导的自由电子激光研究团队在国际上率先实现了HGHG自由电子激光大范围波长连续可调。

  “在这个项目中,大连化物所和上海应物所是完美结合。”戴东旭表示,上海光源的建成使上海应物所拥有了大科学工程的建设与管理经验,并掌握了大量的关键技术。

  从“敢想”到“敢做”

  据戴东旭介绍,自由电子激光在进入21世纪之后才开始兴旺发展起来。目前,几家研发自由电子激光的相关单位各有所长,其中一些在波长等指标方面较为领先,技术难度很高,但还没有一家可实现波长可调。

  位于合肥的国家同步辐射实验室目前能提供国内真空紫外最好的实验条件,在过去曾协助杨学明课题组做出很好的实验成果。但同步辐射光源毕竟不是激光,在相干性、峰值功率和时间特性上尚存差异。

  针对这些问题,大连化物所从实际需求出发提出要求,上海应用物理所在设计中将目标瞄准解决实验中的实际问题。

  据悉,该项目的设备将主要由我国自主研发。“这项技术国外也处在发展阶段,有些特殊指标只能自己制造,从国外买设备也需要从头研制。”戴东旭说。

  在1.4亿元的项目总预算中,国家自然科学基金委资助1.03亿元用于自由电子激光和实验装置的研制,中科院大连化物所自筹约0.4亿元用于基建和公用设施。该项目的科学目标是研制一套基于HGHG模式的波长可调谐的极紫外相干光源以及利用这一性能优越的光源的实验装置。这也将成为世界上独特的相关基础科学问题的实验平台。

  据悉,目前经费已经到位,装置计划将于2015年年底前建成。而且会在全国实现仪器共享,可应用于物理、化学、生物、能源等多个领域。戴东旭说:“装置建成后,以前测不到的将能测到,以前不好的信号将变清晰,以前做不了的实验也敢做了。”

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  自由电子激光是激光家族的一个新成员。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。

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自由电子激光器的应用范围十分广泛,美国海军在该领域大力投资,开发出多种武器技术。

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美国海军大功率自由电子激光器试验

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美国的自由电子激光器实验室

  

自由电子激光炮和电磁轨道炮,目前是美军重点研制的新一代武器。

来源:中国科学报

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