在遼寧省大連市長興島經濟技術開發區，矗立著一座會“發光”的大科學裝置——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”，它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（50~150 nm）的自由電子激光裝置，更是世界上最亮的極紫外光源。

自2016年9月實現首次出光，到2018年7月正式通過驗收，這座裝置一直在用其獨特的方式，為科學家照亮前所未見的微觀世界。

或許你也可能聽說過其它光源，例如外形像“卷環”的同步輻射光源，那么，大連相干光源為何要選擇這種獨特的“長直”造型？設計中蘊含了哪些智慧呢？讓我們一起探尋其中的奧秘。

秘密一：直線加速，匯聚最亮的光

要理解DCLS為何如此明亮，我們可以把它想象成一個超級“光子制造機”。它的工作流程非常精密：首先，將電子加速至接近光速，形成一束極快的電子流；然后，讓這束電子流射入一條長長的真空管道。

管道內暗藏玄機，這里布置著周期變化的磁場。當電子穿過時，會被磁場迫使著進行規則的“蛇形”擺動。正是這種受控的擺動，讓所有電子像一支樂隊合奏一樣，有節奏地釋放出光子。這些光子匯聚在一起，就形成了強度極高的激光束。

直線型的結構設計在這里起到了關鍵作用。它確保了電子在擺動過程中能量集中、不易散開。電子束越“緊湊”，釋放出的光子流就越集中，亮度也就越高。

與傳統同步輻射光源相比，DCLS的單個脈沖中包含的光子數可以高出1至100億倍。這樣的超高亮度，不僅能幫助科學家觀測到更微小的原子和分子，還能避免以往因為亮度不足而不得不延長的曝光時間，進而減少了對樣品的輻射損傷。

秘密二：直線沖刺，抓拍最快的瞬間

如果說高亮度讓DCLS成為一盞明亮的“閃光燈”，那么它的直線設計還賦予了它一個更神奇的本領——擁有快到極致的時間分辨率，能夠捕捉以“飛秒”計的超快過程。

飛秒究竟有多快？？飛秒（femtosecond，fs）是一種極其微小的時間單位，1飛秒等于1秒的一千萬億分之一。在這短暫的一瞬，光在真空中連一根頭發絲的直徑都跑不完。

DCLS的直線結構，正是實現飛秒級超短脈沖的關鍵。在直線型的自由電子激光裝置里，電子就像百米短跑運動員，起跑后一路直線加速、全力沖刺，能量集中、步伐一致，從而能夠在極短的時間里迸發出清晰的“光子脈沖”。

相比之下，在傳統的環形同步輻射裝置里，電子則更像長跑選手，需要不斷拐彎。每過一個彎道，就會因為磁場偏轉而損失部分能量，導致速度起伏，節奏不再緊湊。最終產生的光脈沖就像一段被拉長的時間線，難以達到飛秒級的極致短暫。

因此，直線型自由電子激光能更好地保持電子束的整齊和穩定，從而產生飛秒甚至更短的激光脈沖。這種超短光脈沖，就像一臺擁有無敵快門的“高速相機”，能抓拍到電子躍遷、化學鍵斷裂等發生在極短時間內的超快過程，為研究物質的動態本質提供了前所未有的工具。

秘密三：步伐一致，看清最微小的世界

要看清微觀世界的精細結構，科學家需要一束非同尋常的光。它不僅需要明亮，更需要“步調一致”——這種特性在光學上被稱為“相干性”。可以想象一下，當所有光波的波峰和波谷都能完美對齊時，它們就能通過干涉和衍射，共同描繪出極其清晰的圖像。

大連相干光源正是產生這種理想光束的利器。在它的直線加速器中，電子束能夠保持高度集中的能量和整齊劃一的隊形，其能量分散度只有傳統環形同步輻射光源的百分之一到十分之一，因此它產生的激光在時間和空間上的相干性都實現了百倍以上的提升。這個過程好比一支訓練有素的士兵方陣，整齊劃一地踏步過橋，動作高度一致，引發強烈共振，釋放出高強度、相干的光。相比之下，環形同步輻射裝置中的電子更像零散落下的雨滴，落在水面上只能激起雜亂無章的波紋，彼此干擾，難以形成清晰統一的光波。

正因憑借這種高度的相干性，DCLS發出的激光能夠以前所未有的精度探測物質內部結構，讓科學家在納米甚至更小的尺度上，清晰地“看見”原子和分子的排列方式，為新材料研發和生命科學研究打開了全新的視野。

大連相干光源裝置

（圖像來源：中國科學院重大科技基礎設施共享服務平臺）

結語

總而言之，大連相干光源（DCLS）的直線造型是其獲得“超高亮度”、“超短脈沖”、“全相干”三大特性的前提基礎。正是這一氣呵成的直線設計，最終鍛造出了這把極紫外波段的“超級光劍”，最終輸出超亮、超快、全相干的極紫外激光。

這使得DCLS如同一臺集合了最亮的“閃光燈”、最快的“快門”和最清晰“鏡頭”的終極科學相機。它正以前所未有的精度，為我們記錄原子分子超快動力學過程、催化反應的神奇瞬間，照亮了人類探索微觀世界超快動力學的全新前沿。

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