大連相干光源（Dalian Coherent Light Source，DCLS），全稱為“基于可調極紫外相干光源的綜合實驗研究裝置”，是我國第一臺自由電子激光大型用戶裝置，也是世界上唯一工作在極紫外波段（Extreme Ultra-violet，EUV，50~150 nm）的同類設備。它坐落于大連市長興島經濟技術開發區，是世界上最亮的極紫外光源。

那么，為什么它要選擇極紫外光呢？

極紫外光：一把“精密手術刀”

我們可以把極紫外光想象成一把“精密手術刀”，它能精準地激發分子中參與形成化學鍵的價電子，讓科學家可以觀察到化學鍵如何斷裂、如何形成，而不把整個分子打散。

這正是大連相干光源（DCLS）的核心使命：研究分子在化學反應中的動力學過程，特別是那些發生在飛秒（10-15秒）尺度上的瞬態變化。在極紫外波段，大部分原子、分子將被激發至較高的電子激發態，或者直接被單光子電離。因此DCLS是實時觀測化學鍵的形成與斷裂、化學反應的中間態、元素的電離（如碳、氮、氧等）等化學反應動力學過程的理想光源。換句話說，極紫外光的能量“剛剛好”滿足研究化學鍵動力學過程的需求。

相比之下，普通紫外線的能量較低，不能激發或電離這些價電子，進而無法研究化學鍵的斷裂與形成。而X射線的能量太高，會直接“打穿”分子，把內層電子轟出來，導致分子瞬間碎裂，使科學家難以觀察化學反應的中間過程。

極紫外光：元素世界的“神探”

極紫外光如同一位“火眼金睛”的“大偵探”，能夠識別元素周期表上幾乎所有元素的“指紋”。在極紫外波段，周期表中絕大多數元素（從氫到硫，甚至更重的元素）都有強烈的吸收和發射特征。這意味著，只要用極紫外光一照，科學家就能獲取樣品中各種元素及其化學狀態的詳細信息。

相比之下，普通紫外線主要對少數輕元素敏感，能獲取的信息非常有限。而X射線雖然能探測所有元素，但對輕元素（如碳、氮、氧）的靈敏度較低，而這些元素恰恰是生命分子和有機化學的核心。正因如此，極紫外光成為了探測和分辨元素的最佳光波段，使大連相干光源在燃燒與大氣化學、星際分子與等離子體物理、生物分子結構及動力學等相關研究領域，成為國際上不可替代的研究平臺。

憑借這一獨特優勢，科學家們利用大連相干光源取得了一系列重要發現：揭示了最小水滴的立體結構，回答了《科學》雜志在創刊125周年之際提出的“水的結構是什么”這一前沿科學難題。科學家們利用大連相干光源在硼團簇的光電離效率光譜中發現了最小三維中性硼團簇。科學家們還基于大連相干光源研究了氣溶膠新粒子生成過程中成核前驅體的化學組成及其動態變化，揭示了有機氣溶膠的形成新機制。再比如，科學家們利用大連相干光源發現了水分子三體解離產氧機制，闡明了水分子光解是宇宙星云、彗星大氣、地球原始大氣層氧氣的重要來源。此外，還發現二氧化硫分子極紫外光解離產生硫離子和氧氣也可能是地球早期大氣中氧氣來源的關鍵途徑。

大連相干光源發現最小水滴立體結構

（圖片來源：大連相干光源）

總而言之，極紫外光憑借其恰到好處的能量和獨特的選擇性，成為了探索微觀世界不可替代的“超級探針”。大連相干光源（DCLS）產生的極紫外激光，大連相干光源產生的極紫外激光，就像一臺超高速的“分子攝像機”，讓科學家能夠捕捉到化學鍵斷裂與形成的精彩瞬間。

隨著這類先進光源技術的持續發展，我們正邁向一個更加令人興奮的科學新時代。未來，科學家有望實現以“分子電影”的形式，實時記錄化學反應的全過程，從而揭開自然界更多隱藏的奧秘。這座位于大連長興島的光源裝置，將繼續照亮人類探索微觀世界的道路，推動科技創新不斷向前。

出品：科普中國

作者：楊超（中國科普作家協會會員、博士）

監制：中國科普博覽