极紫外光

电磁辐射

极紫外光，又称极端紫外线辐射，是指电磁波谱中波长从121 纳米到10 纳米的电磁辐射。

发展

20世纪80年代，科学家们开始探索芯片制造如何才能达到接近原子的体积，以保持创新的步伐。总部位于新泽西州的贝尔实验室的研究人员开始研究极紫外光技术，紧随其后的是美国能源部的三个国家实验室：劳伦斯利弗莫尔实验室、劳伦斯伯克利实验室和桑迪亚实验室，该部门最终为这项研究投入了数千万美元。

1997年，一家名为EUV LLC的公私合营组织成立，其中包括美国公司英特尔、AMD和摩托罗拉。这个组织最终扩大到包括光刻技术公司硅谷集团和ASML，后者也参与了欧洲一个类似的EUV研究联盟。

性质

极紫外光能够电离几乎所有的组成普通物质的原子和分子的特性使得它无法在普通物质（包括空气）中传播，只能在真空中传播，所以极紫外光也称为真空紫外光。因此，极紫外激光无法在普通物质中产生和放大，只能在“特殊物质”中产生，这个“特殊物质”就是脱离原子核而单独存在的自由状态的电子。

根据电动力学原理，加速运动的电子会向外辐射电磁波，尤其是来回变向跑动（振荡）的电子辐射电磁波能力非常强。常用的无线信号，无论是电视还是手机，都是通过驱使电子在天线里来回振荡发射电磁波。在大量极紫外相干光源中，时间宽度为几个皮秒（1皮秒 = 1万亿分之一秒）的脉冲激光（驱动激光）在光阴极上打出一簇高密度的脉冲电子，利用直线加速器将这个脉冲电子束加速到3亿电子伏特的能量（这相当于让电子穿越3亿伏的超高压电场）。这时，由于相对论效应，电子的速度与光速非常接近。再用另一束皮秒或者亚皮秒时间宽度的强激光（种子激光）照射在这个高能电子束上，电子束中的电子在种子激光的电磁场的作用下，就会按照激光的波长在空间重新分布（调制），其中含有丰富的谐波成分。然后让空间分布被调制的电子束继续穿越一系列周期性变化的磁场（即波荡器）。

根据电磁学原理，电子在周期性磁场中会一边以光速向前飞行，一边左右摆动，这样电子就会向前辐射出光线。由于电子飞行的速度和光速非常接近，电子在飞行途中各处发射的光会叠加增强，同时电子自身辐射的光也在调制电子自己的空间分布，从而使得电子更加强烈地辐射光线。如果适当地选择周期性磁场的强度，就会使得种子激光中的某个谐波成分按照前述方式急剧地自激放大并达到饱和，从而输出极紫外光。

应用

极端紫外线辐射的主要用途是光电子能谱、太阳成像和光刻。在空气中，EUV是电磁光谱中吸收率最高的成分，需要高真空度才能传输。

很多物理和化学过程在本质上都是原子和分子过程，比如臭氧层空洞的形成涉及到大气上层臭氧分子（O3）的淬灭机制，雾霾的形成涉及到污染物分子（SO2、CO等）聚集过程，燃烧过程涉及到氧原子或氧分子与其它分子的反应等一系列过程。要控制或利用这些物理和化学过程，就需要在实验室里研究这些过程所涉及到的原子和分子的反应机制，因此就需要精确并且高灵敏度地探测所涉及到原子和分子。

在极紫外光照射下的区域内，几乎所有的原子和分子都“无处遁形”。比如雾霾，大气中的化学物质与水分子作用后，形成分子团簇，这些团簇在生长过程中吸附大气中各种污染分子以及水分子，生长为较大的气溶胶颗粒，并逐渐成长为雾霾。大连光源能够解析大气化学中性团簇的精细结构，揭示大气中气溶胶的成核动力学机制。

由于在科学实验中，需要探测的原子或分子数量可能非常少，存在时间也非常短，普通的极紫外光源无法满足这个需求，必须要有高亮度的极紫外光源，即极紫外激光。

世界上90%的能源来自于燃烧，高效利用能源以及减少污染排放是重要的世界性问题。极紫外光可利用单光子电离的方法灵敏探测燃烧中间反应步骤和中间体的理想光源，为阐明燃烧过程中的化学机理提供坚实的基础。

光源设备

大连光源

2017年1月15日，中科院研制的“大连光源”发出了的极紫外自由电子激光脉冲，单个皮秒激光脉冲产生140万亿个光子，成为具有极高的亮度且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。

王恩哥说，当今世界，大科学工程对于科技的发展起着越来越重要的推动作用。“大连光源”的建成出光，成为我国大科学工程的又一成功范例，也必将大大促进我国在能源、化学、物理、生物、材料、大气雾霾、光刻等多个重要领域研究水平的提升，为我国的科技事业注入了新的活力。

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