為分子“拍照片”的上海同步輻射光源

出品：科普中國(guó)

作者：數(shù)字世界

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

光，現(xiàn)代世界中日夜陪伴我們的朋友。你知道的光有哪些？太陽(yáng)光？燈光？其實(shí)宇宙中存在的光可不止這些，而它們的能力也遠(yuǎn)不止是為人類(lèi)照明而已。

今天，我們想和大家聊聊大科學(xué)裝置中的不尋常的系列先進(jìn)光源。

紅的、紫的、軟的、硬的……各種光

光讓我們看見(jiàn)眼前的大千世界，我們希望看得更遠(yuǎn)去探索外太空的奧秘，我們希望看得更深，去看清蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

人眼能看到感覺(jué)看到的光叫可見(jiàn)光，在光的大家族里，可見(jiàn)光只占一小部分。科學(xué)認(rèn)為，光其實(shí)是一種電磁波，因?yàn)轭l率和波長(zhǎng)的不同，分為無(wú)線(xiàn)電波、微波、紅外、可見(jiàn)光、紫外、軟X射線(xiàn)、硬X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)。

借助無(wú)線(xiàn)電波，天文學(xué)家可以探索遙遠(yuǎn)的未知星球，借助雷達(dá)的微波，士兵可以看到幾百千米外的飛機(jī)，借助X射線(xiàn)醫(yī)生可以透視病人的骨骼和內(nèi)臟。

由此說(shuō)來(lái)，光對(duì)于科技顯得尤為重要，大家從下面這幅世界光源地圖中可以看出，世界科技強(qiáng)國(guó)在不同類(lèi)型光源設(shè)施建設(shè)方面都有較完整的布局。我國(guó)亦是如此。

亮度較大的地區(qū)主要位于北美地區(qū)、西歐地區(qū)、亞洲東部及南部地區(qū)及其沿海平原地區(qū)，非洲、大洋洲、南美洲中部亮度較小。

圖片來(lái)源：NASA

目前，我國(guó)的大型光源既包括同步輻射光源、自由電子激光，也包括超強(qiáng)超短激光。

從地域分布上，已建成了包括上海、合肥、大連以及正在建設(shè)的第四代北京光源（高能同步輻射光源，懷柔），已形成高能、中能、低能光源協(xié)同布局的良好局面。

為分子“拍照片”的同步輻射光源

2021年6月28日上午，在中國(guó)共產(chǎn)黨百年華誕來(lái)臨之際，由國(guó)家發(fā)展改革委立項(xiàng)支持、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)建設(shè)的高能同步輻射光源（HEPS）首臺(tái)科研設(shè)備安裝，為其提供技術(shù)研發(fā)與測(cè)試支撐能力的先進(jìn)光源技術(shù)研發(fā)與測(cè)試平臺(tái)（PAPS）同期轉(zhuǎn)入試運(yùn)行。

當(dāng)同步輻射光源照射在物質(zhì)上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多不同的效應(yīng)，每一種效應(yīng)皆與物質(zhì)本身的物理或化學(xué)特性有密切關(guān)聯(lián)。

因此，利用同步輻射光源觀察物質(zhì)，可準(zhǔn)確地探究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及物質(zhì)內(nèi)電子間的交互作用，形象地說(shuō)，同步輻射光源能為分子“拍照片”。

2009年，上海一座世界一流的光子科學(xué)中心建成，顯著推動(dòng)了我國(guó)多個(gè)學(xué)科的快速發(fā)展，使一大批以往在國(guó)內(nèi)無(wú)法開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)得以在國(guó)內(nèi)進(jìn)行，為眾多學(xué)科提供了不可或缺的實(shí)驗(yàn)條件。

上海光源

圖片來(lái)源：上海同步輻射光源

科學(xué)家依托該光源取得了一批重大成果：開(kāi)展埃博拉病毒研究，解析H5N1禽流感病毒結(jié)構(gòu)，對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，在甲烷高效轉(zhuǎn)化研究中取得突破。

世界最強(qiáng)光在中國(guó)上海

另外，超強(qiáng)超短激光被認(rèn)為是人類(lèi)已知的最亮光源，是國(guó)際激光科技的最新發(fā)展前沿和競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)領(lǐng)域，具有重大科技意義與應(yīng)用價(jià)值。

比如，超強(qiáng)超短激光可用于產(chǎn)生反物質(zhì)和探測(cè)暗物質(zhì)，研究天體物理和宇宙起源等。

2017年10月，上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（SULF）在世界上首次實(shí)現(xiàn)了10拍瓦激光放大輸出。

圖片來(lái)源：澎湃新聞

大家對(duì)1拍瓦可能沒(méi)有概念，1拍瓦相當(dāng)于全球電網(wǎng)平均功率的500倍，10拍瓦激光如果聚焦到10微米，達(dá)到的光強(qiáng)就相當(dāng)于將照在地球表面的太陽(yáng)光全部“聚”到一根頭發(fā)絲上的10倍。

2019年11月，成功輸出國(guó)際最高峰值功率重頻12.9拍瓦激光，被譽(yù)為激光器發(fā)明以來(lái)第五個(gè)里程碑。裝置采用的直徑235毫米大尺寸鈦寶石晶體，由中國(guó)科學(xué)院自主研發(fā)，是目前已知國(guó)際最大口徑的激光放大晶體。

好啦，今天的“追光之旅”就到這里啦，雖然我們?cè)谶@里止步，但是科學(xué)家在光學(xué)領(lǐng)域的探索不會(huì)止步，期待未來(lái)能有更多科研成果出現(xiàn)造福人類(lèi)。