楊學明：創新科學儀器是推動科技發展原動力

作者 | 楊學明

我與中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）結緣始於1982年。

那年，我在家鄉浙江讀完大學，滿懷憧憬來到美麗的大連，在大連化物所繼續深造。

是偶然也是必然，我在浙江師範大學讀的物理系，但在中學就喜歡化學，因此很自然地走上了化學物理研究這一條路。

在大連化物所的3年，為我打下了科學研究的基礎，使我開始嚮往從事前沿科學研究。

2001年，經歷了多年海外學習和研究後，我終於回到自己科學生涯的起始地——大連化物所。

回顧幾十年的科學生涯，我始終工作在實驗物理化學和化學物理領域，一直從事新的科學儀器研發，利用這些新的科學儀器開展前沿科學研究。

我們組取得的大多數研究成果都與創新科學儀器的發展密不可分。我深刻體會到，實驗科學研究要想實現跨越發展，必須把創新科學儀器研發放在極其重要的位置。

在讀碩士研究生期間，我的研究課題是“高分辨紅外分子光譜的研究”，師從張存浩老師和朱清時老師，正是這兩位科學界的前輩把我帶入了分子反應動力學這個當時還非常新的領域。

兩位老師淵博的知識、開闊的學術視野讓我受益匪淺，他們的支持和幫助使我有機會在科學研究的道路上勇往直前。

碩士研究生畢業後，我赴美國加州大學聖芭芭拉分校開始了博士研究生生涯，研究方向是“高振動態光譜與動力學研究”。

在博士研究階段，我領悟了先進的科研儀器對實驗化學物理基礎研究的重要作用，學會了獨立思考尋找重要科學問題和解決問題的能力,樹立了獨立科研工作的信心，進一步加深了對實驗科學研究的興趣和熱情，更堅定了發展新的高端儀器用於科學研究工作的決心。

博士畢業後，我在普林斯頓大學化學系從事了近兩年的博士後研究，在團簇分子的高分辨紅外光譜研究方面打下了很好的基礎。

第一次有機會親自研製複雜的整套科學儀器，是我在美國勞倫斯伯克利國家實驗室做博士後期間。

我的導師是1986年諾貝爾化學獎得主李遠哲教授，他對我的科研發展產生了深遠的影響。

我花了整整一年的時間，跟著實驗室的工程技術人員，在計算機上設計出人生第一套複雜儀器的圖紙，並且成功地把設計圖紙變成世界上首套利用同步輻射的交叉分子束科學儀器。

通過這一經歷，我認識到，自己研製儀器要做到有的放矢，兼具獨特性，只有這樣，我們才有可能做出獨特且領先的科研工作。

我在後來每一個階段的科研工作中都踐行了這樣的理念，堅持根據實際科學需求設計研製科學儀器。

在隨後的幾年裡，我們小組先後設計研製了多臺先進的交叉分子束儀器裝置，發展了一系列高靈敏度探測技術，在分子反應動力學研究領域取得了系列性科學突破，多項科研成果發表在《科學》《自然》等刊物上。

我越來越深刻地體會到，創新實驗方法和科學儀器是實驗物理化學和化學物理等基礎研究發展的重要原動力。

大科學裝置對於科技發展的作用是常規儀器和手段不可比擬的，其所覆蓋的學科範圍之廣也遠遠超出人們的想象。

當我在伯克利做博士後期間，有幸親身體驗了當時世界上最先進的第三代同步輻射光源。同步輻射雖然有很多優點，但也有不少缺點。

當時我就在想，如果有一臺工作在極紫外波段的激光器，那就太好了。也正是從那個時期開始，我就一直思考如何發展屬於自己的極紫外自由電子激光光源，這是我20多年來的一個夢想。

第三代光源出現以來，全世界進入建設大型先進光源發展的熱潮，我國也相繼有了北京光源、合肥光源、上海光源等大科學裝置。

2000年之後，高增益自由電子激光技術有了飛躍發展，自由電子激光在極紫外區域的優異特性研究對我有著極大的吸引力。

2001年我正式回國，回到曾經熟悉的大連化物所開展工作，得到了大連化物所領導和同事們的鼎力支持和幫助，科研工作很快開展起來，並取得了不錯的成果，分子反應動力學國家重點實驗室得到了進一步的發展。

通過調研我們發現，全世界正在建設的高增益自由電子激光裝置中，沒有一臺是工作在極紫外區域的。

而極紫外區域又是探測分子、原子和外殼層電子結構最為有效的光源，在科學研究中具有重要且獨特的作用。如果能在這個領域有所突破，我們有望填補國際空白，在相關研究領域搶佔先機。

從2007年開始，我和中科院上海應用物理研究所（以下簡稱上海應物所）的合作者開始醞釀極紫外自由電子激光裝置的研製計劃。

2011年，我們聯合向國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）提出了建設“大連相干光源—大連極紫外自由電子激光”計劃的申請，得到了自然科學基金委首批國家重大科學儀器研製項目的支持，獲得了1億多元的資助。我們深知要完成這一研製任務面臨著巨大的挑戰，併為此開始了更細緻的準備和調研。

2014年10月，大連相干光源主體實驗樓破土動工，2016年9月24日完成了主要基建工程和主體光源裝置的研製，並實現了光源裝置的首次出光，創造了同類大型自由電子激光科學裝置建設的新紀錄。

之後，我們相繼成功實現了自由電子激光自發輻射自放大模式（SASE）和高增益諧波放大模式（HGHG）的飽和輸出。

這是我國第一臺真正用於科學實驗的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的自由電子激光裝置，是世界上最亮的極紫外光源。該裝置90%的儀器設備由我國自主研發。

2018年，大連相干光源通過了驗收，專家組一致認定，這是一臺獨特的極紫外自由電子激光裝置，整體技術指標已經達到國際領先水平。

如今，大連相干光源已經開始發揮出巨大的科研推動作用。

例如水的三體解離、中性團簇結構解析等方面，都取得了很多非常好的實驗數據和成果。

國內外已有多個知名科研團隊藉助大連相干光源開展實驗研究。未來，大連相干光源還將進行進一步升級，並有望在燃燒、表界面催化、光催化、大氣霧霾等重要科研領域的研究中發揮更大的支撐作用。

對夢想的追求是永不停歇的。

近些年，國際上又興起一種更新的光源技術，那就是基於超導加速器技術的高重複頻率自由電子激光。

我們敏感地察覺到這一技術的巨大潛力，並於2016年和上海應物所的合作者一起，去國外調研了更新一代高重複頻率自由電子激光技術的發展。

這次調研更加堅定了我們要在國內申請建設高重複頻率自由電子激光裝置的決心，這是國際上剛剛興起的一項技術，目前只有少數發達國家正在推動發展，如果我們能率先佈局，就意味著我國在這一領域能真正實現在國際上領跑，具有深遠的影響。

基於這樣的思路，我們提出在大連建設更新一代高重複頻率極紫外自由電子激光（簡稱大連先進光源）計劃。

大連市政府給予了非常大的支持。有了這樣的基礎，我們將努力爭取這一項目獲得國家的支持。

如果這個項目能夠落實，我國將會在幾年後擁有一個世界上獨特的高重複頻率自由電子激光裝置，這將奠定我國在這一領域的國際領先地位，為我國能源基礎科技創新注入更加強大的動力。

作者簡介：

楊學明，1962年10月生於浙江，1991年博士畢業於美國加州大學聖芭芭拉分校，研究員，中國科學院院士，曾任中國科學院大連化學物理研究所副所長、分子反應動力學國家重點實驗室主任。現任化學反應動力學研究中心主任。

《中國科學報》 (2019-06-18 第3版 綜合)

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