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杨学明:创新科学仪器是推动科技发展原动力
发布时间:2019/6/19 8:46:02

我与中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)结缘始于1982年。

那年,我在家乡浙江读完大学,满怀憧憬来到美丽的大连,在大连化物所继续深造。

是偶然也是必然,我在浙江师范大学读的物理系,但在中学就喜欢化学,因此很自然地走上了化学物理研究这一条路。

在大连化物所的3年,为我打下了科学研究的基础,使我开始向往从事前沿科学研究。

2001年,经历了多年海外学习和研究后,我终于回到自己科学生涯的起始地——大连化物所。

回顾几十年的科学生涯,我始终工作在实验物理化学和化学物理领域,一直从事新的科学仪器研发,利用这些新的科学仪器开展前沿科学研究。

我们组取得的大多数研究成果都与创新科学仪器的发展密不可分。我深刻体会到,实验科学研究要想实现跨越发展,必须把创新科学仪器研发放在极其重要的位置。

在读硕士研究生期间,我的研究课题是“高分辨红外分子光谱的研究”,师从张存浩老师和朱清时老师,正是这两位科学界的前辈把我带入了分子反应动力学这个当时还非常新的领域。

两位老师渊博的知识、开阔的学术视野让我受益匪浅,他们的支持和帮助使我有机会在科学研究的道路上勇往直前。

硕士研究生毕业后,我赴美国加州大学圣芭芭拉分校开始了博士研究生生涯,研究方向是“高振动态光谱与动力学研究”。

在博士研究阶段,我领悟了先进的科研仪器对实验化学物理基础研究的重要作用,学会了独立思考寻找重要科学问题和解决问题的能力,树立了独立科研工作的信心,进一步加深了对实验科学研究的兴趣和热情,更坚定了发展新的高端仪器用于科学研究工作的决心。

博士毕业后,我在普林斯顿大学化学系从事了近两年的博士后研究,在团簇分子的高分辨红外光谱研究方面打下了很好的基础。

第一次有机会亲自研制复杂的整套科学仪器,是我在美国劳伦斯伯克利国家实验室做博士后期间。

我的导师是1986年诺贝尔化学奖得主李远哲教授,他对我的科研发展产生了深远的影响。

我花了整整一年的时间,跟着实验室的工程技术人员,在计算机上设计出人生第一套复杂仪器的图纸,并且成功地把设计图纸变成世界上首套利用同步辐射的交叉分子束科学仪器。

通过这一经历,我认识到,自己研制仪器要做到有的放矢,兼具独特性,只有这样,我们才有可能做出独特且领先的科研工作。

我在后来每一个阶段的科研工作中都践行了这样的理念,坚持根据实际科学需求设计研制科学仪器。

在随后的几年里,我们小组先后设计研制了多台先进的交叉分子束仪器装置,发展了一系列高灵敏度探测技术,在分子反应动力学研究领域取得了系列性科学突破,多项科研成果发表在《科学》《自然》等刊物上。

我越来越深刻地体会到,创新实验方法和科学仪器是实验物理化学和化学物理等基础研究发展的重要原动力。

大科学装置对于科技发展的作用是常规仪器和手段不可比拟的,其所覆盖的学科范围之广也远远超出人们的想象。

当我在伯克利做博士后期间,有幸亲身体验了当时世界上最先进的第三代同步辐射光源。同步辐射虽然有很多优点,但也有不少缺点。

当时我就在想,如果有一台工作在极紫外波段的激光器,那就太好了。也正是从那个时期开始,我就一直思考如何发展属于自己的极紫外自由电子激光光源,这是我20多年来的一个梦想。

第三代光源出现以来,全世界进入建设大型先进光源发展的热潮,我国也相继有了北京光源、合肥光源、上海光源等大科学装置。

2000年之后,高增益自由电子激光技术有了飞跃发展,自由电子激光在极紫外区域的优异特性研究对我有着极大的吸引力。

2001年我正式回国,回到曾经熟悉的大连化物所开展工作,得到了大连化物所领导和同事们的鼎力支持和帮助,科研工作很快开展起来,并取得了不错的成果,分子反应动力学国家重点实验室得到了进一步的发展。

通过调研我们发现,全世界正在建设的高增益自由电子激光装置中,没有一台是工作在极紫外区域的。

而极紫外区域又是探测分子、原子和外壳层电子结构最为有效的光源,在科学研究中具有重要且独特的作用。如果能在这个领域有所突破,我们有望填补国际空白,在相关研究领域抢占先机。

从2007年开始,我和中科院上海应用物理研究所(以下简称上海应物所)的合作者开始酝酿极紫外自由电子激光装置的研制计划。

2011年,我们联合向国家自然科学基金委员会(以下简称自然科学基金委)提出了建设“大连相干光源—大连极紫外自由电子激光”计划的申请,得到了自然科学基金委首批国家重大科学仪器研制项目的支持,获得了1亿多元的资助。我们深知要完成这一研制任务面临着巨大的挑战,并为此开始了更细致的准备和调研。

2014年10月,大连相干光源主体实验楼破土动工,2016年9月24日完成了主要基建工程和主体光源装置的研制,并实现了光源装置的首次出光,创造了同类大型自由电子激光科学装置建设的新纪录。

之后,我们相继成功实现了自由电子激光自发辐射自放大模式(SASE)和高增益谐波放大模式(HGHG)的饱和输出。

这是我国第一台真正用于科学实验的自由电子激光大型用户装置,也是世界上唯一工作在极紫外波段的自由电子激光装置,是世界上最亮的极紫外光源。该装置90%的仪器设备由我国自主研发。

2018年,大连相干光源通过了验收,专家组一致认定,这是一台独特的极紫外自由电子激光装置,整体技术指标已经达到国际领先水平。

如今,大连相干光源已经开始发挥出巨大的科研推动作用。

例如水的三体解离、中性团簇结构解析等方面,都取得了很多非常好的实验数据和成果。

国内外已有多个知名科研团队借助大连相干光源开展实验研究。未来,大连相干光源还将进行进一步升级,并有望在燃烧、表界面催化、光催化、大气雾霾等重要科研领域的研究中发挥更大的支撑作用。

对梦想的追求是永不停歇的。

近些年,国际上又兴起一种更新的光源技术,那就是基于超导加速器技术的高重复频率自由电子激光。

我们敏感地察觉到这一技术的巨大潜力,并于2016年和上海应物所的合作者一起,去国外调研了更新一代高重复频率自由电子激光技术的发展。

这次调研更加坚定了我们要在国内申请建设高重复频率自由电子激光装置的决心,这是国际上刚刚兴起的一项技术,目前只有少数发达国家正在推动发展,如果我们能率先布局,就意味着我国在这一领域能真正实现在国际上领跑,具有深远的影响。

基于这样的思路,我们提出在大连建设更新一代高重复频率极紫外自由电子激光(简称大连先进光源)计划。

大连市政府给予了非常大的支持。有了这样的基础,我们将努力争取这一项目获得国家的支持。

如果这个项目能够落实,我国将会在几年后拥有一个世界上独特的高重复频率自由电子激光装置,这将奠定我国在这一领域的国际领先地位,为我国能源基础科技创新注入更加强大的动力。

作者简介:

杨学明,1962年10月生于浙江,1991年博士毕业于美国加州大学圣芭芭拉分校,研究员,中国科学院院士,曾任中国科学院大连化学物理研究所副所长、分子反应动力学国家重点实验室主任。现任化学反应动力学研究中心主任。