中國大連先進光源實現雷射重大里程碑
中國研究人員在遼寧省大連市首次成功以 1 百萬赫茲的重複頻率運轉電子束，為全球科學與科技領域寫下重要里程碑。這項突破是大連先進光源（DALS）計畫向前邁進的關鍵一步。DALS 是新一代極紫外（EUV）自由電子雷射（FEL）設施。這項成果不僅鞏固中國在先進光源發展領域的領先地位，也為物理、化學、生物學及材料科學研究開闢新方向。
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什麼是大連先進光源？為何重要？
大連先進光源是一座規劃中的尖端科學設施，旨在運用自由電子雷射技術產生亮度極高、具同調性的極紫外光束。不同於傳統雷射，FEL 利用高速電子束通過磁性結構（稱為波蕩器）來產生光，其波長是傳統方法無法達到的。因此，FEL 特別適合在原子與分子尺度探測微觀世界，應用範圍從基礎物理到先進製造及生命科學。
DALS 計畫由中國科學院大連化學物理研究所（DICP）的院士楊學明與研究員張衛青領導。團隊近期成功實現穩定、高重複頻率的電子束，克服了 FEL 建置中最艱鉅的技術挑戰之一。DALS 是中國第一座 FEL 使用者設施，也是全球唯一專門在極紫外波段運轉的設施，預計將成為科學發現與科技創新的重要基石。
認識自由電子雷射
自由電子雷射常被稱為「第四代」先進光源。傳統雷射仰賴特定材料產生光；FEL 則使用加速至接近光速的電子流。電子通過波蕩器時會發出光，波長可在廣泛範圍內調整，從紅外線到 X 光皆可。這種靈活性，加上產生超短脈衝及極高亮度的能力，讓 FEL 得以捕捉超快過程，並解析原子層級的結構。
作為 DALS 前身的大連相干光源（DCLS），已展現 FEL 的強大能力，可提供波長介於 50 至 150 奈米、脈衝時間短至 100 飛秒（千兆分之一秒）的光束。這些能力讓科學家能即時觀察電子動態、分子演變及材料相變。
這項突破如何實現？
大連近期達成的里程碑，來自多年合作努力與技術創新。自 2020 年計畫啟動以來，DICP 與深圳先進光源設施研究院攜手開發 FEL 運轉所需的一系列核心技術，包括：
- 可產生高品質電子束的光陰極電子槍
- 用於精確計時與控制的超快雷射系統
- 可穩定加速電子的固態射頻功率源
- 可實現連續波運轉的超導加速器模組
- 用於維持超導狀態的低溫氦氣制冷系統
以 1 百萬赫茲（每秒 100 萬個週期）的重複頻率產生電子束，格外困難，因為必須同時確保穩定性與品質。這項成果證明大連團隊已掌握新一代 FEL 所需的核心關鍵技術。
研究團隊表示，這項成果「為計畫後續建設奠定堅實基礎」，也代表中國推動尖端 FEL 設施發展的整體工作取得重大進展。
科學與科技影響：FEL 為何帶來革命性改變
像 DALS 這樣的自由電子雷射，正為科學研究帶來革命性改變，提供過去難以想像的工具。FEL 能在極紫外與 X 光波段產生具同調性、波長可調且亮度極高的光，讓科學家得以：
- 以原子解析度探測分子與材料的結構及動態
- 即時研究超快化學反應與生物過程
- 為醫學與材料科學開發先進成像技術
- 透過極紫外微影技術支援新一代半導體製造
例如，大連相干光源已支援分子光化學、氣膠質譜及生物質譜等實驗。研究人員將極紫外雷射光束導入高解析度質譜分析後，可有效解離複雜生物分子並取得詳細結構資訊，推動蛋白質體學與藥物探索等領域發展。
中國對 FEL 技術的戰略布局
中國已將 FEL 技術列為科技發展的戰略重點。根據國家發展戰略，中國的目標是在 2035 年前於長波長 FEL、X 光 FEL，以及以 FEL 為基礎的極紫外微影光源方面取得突破。相關工作獲得基礎研究投資增加、多方合作及自主創新等支持。
大連化學物理研究所在催化、化學工程與雷射技術領域，尤其有深厚的先驅研究歷史。該所領導 DALS 計畫，展現中國建設世界級科學基礎設施、培育新一代科研人才的決心。
DALS 與全球光源設施的比較
全球已有多座先進光源設施，改變了結構生物學、材料科學與化學研究。瑞士光源及瑞士自由電子雷射（SwissFEL）便是其中的代表，支援研究人員以高通量、高解析度方式研究大分子。然而，DALS 計畫的定位獨特：它是一座可在高重複頻率下連續波運轉的極紫外 FEL 設施，具備的能力可與現有同步輻射及 FEL 光源相輔相成，並進一步拓展其應用。
全球多數 FEL 設施運作於 X 光或軟 X 光波段，而 DALS 的設計目標則是提供具卓越時間與空間解析度的相干極紫外光。這使其特別適合研究涉及價電子的過程，也能應用於先進製造，例如半導體製程中的極紫外微影。
對科學、產業與社會的廣泛影響
DALS 的成功發展，對基礎研究以外的領域也有深遠影響。在潔淨能源與環境科技方面，大連化學物理研究所已在催化、化學工程及儲能技術創新上展現領導地位。DALS 的先進能力將進一步助力這些領域的研究，促進高效率催化劑設計、能源轉換過程研究，以及永續科技新材料開發。
在產業方面，以 FEL 為基礎的極紫外光源是新一代半導體製造的關鍵。隨著晶片製造商不斷推進微縮極限，極紫外微影已成為生產更小、更快且更節能的積體電路不可或缺的技術。透過掌握 FEL 背後的核心技術，中國正將自身定位為全球半導體供應鏈的領先者。
培育新一代科學家與工程師
DALS 等大型科學設施，也是年輕科學家與工程師的訓練場。透過參與尖端研究與技術開發，學生及初入職場的研究人員能累積寶貴經驗，為日後在學界、產業界及政府部門擔任領導職務做好準備。這條人才培育管道對延續創新、確保中國持續站在科學發現前沿至關重要。
挑戰與未來展望
儘管近期取得突破，大連先進光源的建設與運轉仍面臨重大挑戰。要在百萬赫茲重複頻率下維持穩定、高品質的電子束，仍須持續推進加速器技術、低溫工程及控制系統。此外，讓設施融入更廣泛的科學社群，並確保研究人員能公平使用，也是發揮最大效益的關鍵。
中國的 FEL 技術國家戰略強調持續投資、多機構合作，以及將科學成果轉化為實際應用的重要性。DALS 從原型邁向全面運轉之際，也將成為中國及全球未來大型科學計畫的典範。
摘要
- 中國科學家在大連首度穩定運轉重複頻率達 1 百萬赫茲的電子束，創下全球首例，這是大連先進光源（DALS）計畫的重要里程碑。
- DALS 是新一代極紫外自由電子雷射設施，旨在提供亮度極高、具同調性的光，支援物理、化學、生物學及材料科學等尖端研究。
- 這項突破仰賴光陰極電子槍、超快雷射、超導加速器及低溫系統等技術進展，並由大連化學物理研究所與深圳合作夥伴共同開發。
- DALS 等自由電子雷射正為科學研究與產業應用帶來革命性改變，包括半導體製造及潔淨能源技術。
- 中國將 FEL 技術列為戰略重點，目標是確保先進光源領域的領導地位、促進創新並培育新一代科研人才。
