中国大连先进光源实现激光重大突破
中国科研人员在辽宁省大连市首次成功实现了重复频率达1兆赫兹的电子束运行，这一成果是全球科学技术领域的一项重要突破，也标志着大连先进光源（DALS）项目迈出关键一步。该项目旨在建设新一代极紫外（EUV）自由电子激光（FEL）装置。这一成果不仅巩固了中国在先进光源研发领域的领先地位，也为物理、化学、生物学和材料科学研究开辟了新的前景。
目录
什么是大连先进光源？它为何重要？
大连先进光源是一座规划中的尖端科研设施，旨在利用自由电子激光技术产生极高亮度、高相干性的极紫外光束。与传统激光器不同，自由电子激光器通过磁性结构（称为波荡器）中的高速电子束产生光，其波长是传统方法无法实现的。这使自由电子激光器特别适合在原子和分子尺度探测微观世界，应用范围从基础物理学到先进制造和生命科学。
DALS项目由中国科学院大连化学物理研究所（DICP）的院士杨学明和研究员张伟清牵头。他们的团队近期成功实现了稳定的高重复频率电子束，解决了自由电子激光器建设中最严峻的技术挑战之一。作为中国首个自由电子激光用户装置，也是全球唯一一座专用于极紫外波段的装置，DALS有望成为科学发现与技术创新的重要基石。
认识自由电子激光器
自由电子激光器常被称为“第四代”先进光源。与依靠特定材料产生光的传统激光器不同，自由电子激光器利用加速至接近光速的电子流。电子穿过波荡器时会发出光，波长可在很大范围内调节，从红外光到X射线均可覆盖。这种灵活性，加上产生超短脉冲和极高亮度的能力，使自由电子激光器能够捕捉超快过程，并以原子尺度分辨结构。
作为DALS前身的大连相干光源（DCLS）已经展现出自由电子激光器的强大能力，可提供波长为50至150纳米、脉冲持续时间短至100飞秒（千万亿分之一秒）的光束。这些能力使科学家能够实时观测电子动力学、分子演变和材料相变。
这项突破是如何实现的？
大连近期取得的这一里程碑成果，凝聚了多年的协作努力和技术创新。自项目于2020年启动以来，大连化学物理研究所与深圳先进光源设施研究院携手研发了自由电子激光器运行所需的一系列核心技术，包括：
- 能够产生高品质电子束的光阴极电子枪
- 用于精确计时和控制的超快激光系统
- 用于稳定加速的固态射频功率源
- 支持连续波运行的超导加速器模块
- 用于维持超导状态的低温氦制冷系统
以1兆赫兹（每秒100万次）的重复频率产生电子束，尤其具有挑战性，因为这既要求稳定性，也要求高品质。实现这一目标表明，大连团队已经掌握了新一代自由电子激光器所需的核心关键技术。
据研究团队介绍，这一成果“为项目后续建设奠定了坚实基础”，也标志着中国推进尖端自由电子激光装置建设的整体努力取得了重大进展。
科学与技术影响：自由电子激光器为何具有变革性
DALS等自由电子激光器正通过提供以往难以想象的研究工具，推动科学研究发生变革。它们能够在极紫外和X射线波段产生相干、可调谐、超高亮度的光，使科学家能够：
- 以原子级分辨率探测分子和材料的结构与动力学
- 实时研究超快化学反应和生物过程
- 开发用于医学和材料科学的先进成像技术
- 通过极紫外光刻支持新一代半导体制造
例如，大连相干光源已支持分子光化学、气溶胶质谱和生物质谱等领域的实验。研究人员将极紫外激光束引入高分辨质谱分析后，可以高效解离复杂生物分子并获取详细的结构信息，推动蛋白质组学和药物发现等领域的发展。
中国对自由电子激光技术的战略布局
中国已将自由电子激光技术列为科学技术发展的战略重点。根据国家发展战略，中国计划到2035年在长波自由电子激光、X射线自由电子激光以及基于自由电子激光的极紫外光刻光源等领域取得突破。这些努力将依托对基础研究的加大投入、多方合作以及对自主创新的重视。
尤其是大连化学物理研究所，在催化、化学工程和激光技术领域拥有悠久的开拓性研究历史。该所牵头DALS项目，体现了中国建设世界一流科研基础设施、培养新一代科研人才的决心。
DALS与全球光源设施的比较
在全球范围内，多座先进光源设施已推动结构生物学、材料科学和化学研究取得进展。瑞士光源和瑞士自由电子激光器（SwissFEL）是其中的代表，它们支持了对大分子开展高通量、高分辨率研究。不过，DALS项目作为一座可在高重复频率下连续波运行的极紫外自由电子激光装置，具有独特定位，其能力可与现有同步辐射光源和自由电子激光光源相互补充并进一步拓展。
全球大多数自由电子激光装置运行于X射线或软X射线波段，而DALS的设计目标是提供具有出色时间和空间分辨率的相干极紫外光。这使其特别适合研究涉及价电子的过程，也适用于半导体制造中的极紫外光刻等先进制造领域。
对科学、工业和社会的广泛影响
DALS的成功研制具有远超基础研究的深远影响。在清洁能源和环境技术领域，大连化学物理研究所已通过催化、化学工程和储能方面的创新展现出领先实力。DALS的先进能力将进一步推动这些领域的研究，助力设计效率更高的催化剂、研究能量转换过程，并开发面向可持续技术的新材料。
在工业领域，基于自由电子激光器的极紫外光源对新一代半导体制造至关重要。随着芯片制造商不断突破微型化极限，极紫外光刻已成为生产更小、更快、更节能的集成电路不可或缺的技术。通过掌握自由电子激光器背后的核心技术，中国正努力成为全球半导体供应链的领先者。
培养新一代科学家和工程师
DALS等大型科研设施也是青年科学家和工程师的培养基地。学生和职业生涯早期的研究人员通过参与前沿研究和技术开发，积累宝贵经验，为日后在学术界、工业界和政府部门担任领导职务做好准备。这样的人才培养机制对持续推动创新、确保中国始终处于科学发现前沿至关重要。
挑战与未来发展
尽管近期取得突破，大连先进光源的建设和运行仍面临诸多挑战。要在兆赫兹重复频率下维持稳定、高品质的电子束，需要持续推进加速器技术、低温技术和控制系统的发展。此外，将该设施融入更广泛的科学界，并确保研究人员能够开放使用，也是最大限度发挥其影响力的关键。
中国的自由电子激光技术国家战略强调持续投入、多机构协作，以及将科学成果转化为实际应用的重要性。随着DALS从原型走向全面运行，它将为中国乃至全球未来的大型科研项目树立范例。
总结
- 中国科学家在大连首次实现重复频率达1兆赫兹的电子束稳定运行，这是大连先进光源（DALS）项目的一项关键里程碑。
- DALS是新一代极紫外自由电子激光装置，旨在为物理、化学、生物学和材料科学等前沿研究提供超高亮度、高相干性的光。
- 这一突破得益于光阴极电子枪、超快激光、超导加速器和低温系统等技术进展，这些技术由大连化学物理研究所与深圳合作伙伴共同研发。
- DALS等自由电子激光器正推动科学研究和工业应用变革，应用领域包括半导体制造和清洁能源技术。
- 中国对自由电子激光技术的战略布局，旨在确保其在先进光源领域的领先地位、推动创新并培养新一代科研人才。
