大連相干光源（Dalian Coherent Light Source，DCLS），全稱為“基于可調(diào)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(shè)備。它坐落于大連市長興島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，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(shù)刀”

我們可以把極紫外光想象成一把“精密手術(shù)刀”，它能精準(zhǔn)地激發(fā)分子中參與形成化學(xué)鍵的價電子，讓科學(xué)家可以觀察到化學(xué)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(xué)反應(yīng)中的動力學(xué)過程，特別是那些發(fā)生在飛秒（10-15秒）尺度上的瞬態(tài)變化。在極紫外波段，大部分原子、分子將被激發(fā)至較高的電子激發(fā)態(tài)，或者直接被單光子電離。因此DCLS是實時觀測化學(xué)鍵的形成與斷裂、化學(xué)反應(yīng)的中間態(tài)、元素的電離（如碳、氮、氧等）等化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)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(xué)鍵動力學(xué)過程的需求。

相比之下，普通紫外線的能量較低，不能激發(fā)或電離這些價電子，進(jìn)而無法研究化學(xué)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(nèi)層電子轟出來，導(dǎo)致分子瞬間碎裂，使科學(xué)家難以觀察化學(xué)反應(yīng)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(shù)元素（從氫到硫，甚至更重的元素）都有強(qiáng)烈的吸收和發(fā)射特征。這意味著，只要用極紫外光一照，科學(xué)家就能獲取樣品中各種元素及其化學(xué)狀態(tài)的詳細(xì)信息。

相比之下，普通紫外線主要對少數(shù)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(jī)化學(xué)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(xué)、星際分子與等離子體物理、生物分子結(jié)構(gòu)及動力學(xué)等相關(guān)研究領(lǐng)域，成為國際上不可替代的研究平臺。

憑借這一獨(dú)特優(yōu)勢，科學(xué)家們利用大連相干光源取得了一系列重要發(fā)現(xiàn)：揭示了最小水滴的立體結(jié)構(gòu)，回答了《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年之際提出的“水的結(jié)構(gòu)是什么”這一前沿科學(xué)難題?？茖W(xué)家們利用大連相干光源在硼團(tuán)簇的光電離效率光譜中發(fā)現(xiàn)了最小三維中性硼團(tuán)簇。科學(xué)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(qū)體的化學(xué)組成及其動態(tài)變化，揭示了有機(jī)氣溶膠的形成新機(jī)制。再比如，科學(xué)家們利用大連相干光源發(fā)現(xiàn)了水分子三體解離產(chǎn)氧機(jī)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(fā)現(xiàn)二氧化硫分子極紫外光解離產(chǎn)生硫離子和氧氣也可能是地球早期大氣中氧氣來源的關(guān)鍵途徑。

大連相干光源發(fā)現(xiàn)最小水滴立體結(jié)構(gòu)

（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(dú)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(chǎn)生的極紫外激光，大連相干光源產(chǎn)生的極紫外激光，就像一臺超高速的“分子攝像機(jī)”，讓科學(xué)家能夠捕捉到化學(xué)鍵斷裂與形成的精彩瞬間。

隨著這類先進(jìn)光源技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，我們正邁向一個更加令人興奮的科學(xué)新時代。未來，科學(xué)家有望實現(xiàn)以“分子電影”的形式，實時記錄化學(xué)反應(yīng)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(xù)照亮人類探索微觀世界的道路，推動科技創(chuàng)新不斷向前。

出品：科普中國

作者：楊超（中國科普作家協(xié)會會員、博士）

監(jiān)制：中國科普博覽