凝聚最强“光” 探索微世界

邓海啸受访者供图

■本报记者 李清波

十几年来，上海光源科学中心的招牌建筑“鹦鹉螺”里接待了 、凝聚态物理、化学、材料、能源等多个领域的科学家。他们在第三代同步辐射光源的帮助下，实现了对未知大分子结构、神奇化学反应的微观探究，催生了一大批影响力深远的科研成果。

基于先进加速器的光子大科学装置是探索微观世界最先进的工具之一，能帮助科学家在原子和分子层次上研究物质的内部结构。2021年起，上海光源科学中心在第三代同步辐射光源这把“屠龙刀”之外，又迎来了一把“倚天剑”——软X射线自由电子激光装置。相比第三代同步辐射光源，软X射线自由电子激光装置拥有更快的脉冲（从几十皮秒提升到百飞秒级），以及更高的峰值亮度（增强了约10亿倍），可以将微观世界的快速变化过程拍摄成“分子电影”。

从一张建设图纸到微观世界可感可视，中国科学院上海高等研究院加速器物理与激光技术部主任、研究员邓海啸与我国自由电子激光事业共同成长19年，见证了它的曲折经历和耀眼成果。

奋起直追

自由电子激光曾被物理学家杨振宁誉为光源领域最值得淘的“新金矿”。2003年，上大三的邓海啸第一次接触自由电子激光概念，就是在上海光源科学中心一位老师的宣讲中。从清华大学工程物理系毕业后，邓海啸于2004年进入中国科学院上海应用物理研究所攻读研究生，师从戴志敏研究员，开始了探索自由电子激光领域的征途。

自由电子激光概念诞生于上世纪70年代初。此后数十年，西方国家竞相开展自由电子激光的理论和实践探索。2000年以后，自由电子激光装置朝着更高能量、更短波长的方向稳步发展。而我国的自由电子激光发展历程，是从蹒跚学步到努力追赶的过程。

从研究生开始，邓海啸随着团队“南征北战”——从第三代同步辐射光源到上海深紫外自由电子激光装置，再到大连极紫外相干光源，积累了10多年经验。2014年，邓海啸所在团队开始软X射线自由电子激光装置的研制。当时，这是团队面临技术要求最高的工程。

邓海啸介绍：“我们的工作偏工科，不仅要懂加速器物理知识，还要和专业组的老师、同学共同参与装置设计、设备技术指标设定、验收和调试。以往调试装置的经验给团队成员树立了坚定信心，但是软X射线自由电子激光装置的调试过程和难度超乎意料。”

白天外部环境引起的地基震动和电网波动会影响调试结果，于是团队成员利用凌晨0点至5点这段时间开展实验。加上停复机后机器状态变化明显，团队决定全天不停机，每天两班倒进行调试，以“问题不过夜”的态度提高调试效率。

枯燥是科研工作的常态。“面对复杂问题，一个人没办法把所有关系、细节都理顺，这时候需要依赖团队——你的工作只是其中一小块，需要反复论证迭代，枯燥避免不了。但在这枯燥重复的过程中，你会发现新东西，给整个团队带来转机。”邓海啸说。

“在最紧张的那段时间，我们会做一些心理调节，每天尽量晚走一些，陪伴当班的同事。不论是惊喜还是挫折，独行与并行的体会总是不一样的。自由电子激光组成员共同走过了那段“煎熬”的岁月，最后人人都身经百战、经验丰富。”邓海啸回忆道。

全长532米的装置有成百上千个参数，实现试验装置“出光”目标就花了3年多。而试验装置“出光”目标完成之后，团队的实力和经验得到了大幅提升，用户装置“出光”目标的调试仅仅3个月就达成了。

经过多年建设和精细调试，2021年5月，软X射线自由电子激光用户装置成功实现了最短波长2纳米的自由电子激光“出光”放大。之后，科学家采用此光源实现了高于20纳米的成像分辨率，相当于能看清一根头发丝的三千分之一。目前，包括上海在内，全世界软X射线自由电子激光装置仅有3台。

勇毅攀登

2009年，美国直线加速器相干光源成功出光，世界从此进入X射线激光时代。2023年，直线加速器相干光源升级版有望产生第一批高重频的X射线激光束。在该领域，美国仍然独占鳌头，但中美两国的差距正在不断缩小。

“理论计算方面，并没有什么秘密可言，中国科学家完全可以独立自主完成。”邓海啸表示，“但是关键核心技术的突破、整机调试手段的掌握，必须走一遍才能蹚过去。”

在多年的装置建设和调试过程中，邓海啸提出了很多新机制，验证了诸多设想。2012年，他将谐波运行理论引入X射线自由电子激光振荡器，提出了中等能量驱动X射线自由电子激光振荡器；2013年，他提出相位汇聚型原理，被认为是外种子自由电子激光的新方向；2014年，邓海啸和同事建立了基于相干波荡器辐射的外种子自由电子激光调试方法，并率先开展交叉平面波荡器和高阻抗结构控制自由电子激光性能的实验研究。2021年，他提出并演示了电子束团相干能量调制的自放大等机制，为高重频外种子自由电子激光研究铺平了道路，入选当年“中国光学十大进展”。

他所在的这个软X射线自由电子激光攻关青年团队同样成果不断。2021年，团队实现“水窗”波段全覆盖——在全球仅有的3台装置中最早覆盖“水窗”波段，且输出性能优异；2022年，软X射线自由电子激光用户装置全面达到建设指标，并从2023年开始对用户开放。软X射线自由电子激光攻关青年团队在2022年获得第26届中国青年五四奖章。

目前，在保障软X射线自由电子激光装置运行的同时，邓海啸和伙伴们投身到国家重大科技基础设施项目——硬X射线自由电子激光装置的建设中。

邓海啸介绍，硬X射线自由电子激光装置将与已有的上海同步辐射光源、软X射线自由电子激光装置、超强超短激光实验装置等一起，形成全球规模最大、种类最全、综合能力最强的光子大科学设施群，在能源、环境、健康和新材料发现等满足国家战略需求的前沿领域发挥不可替代的作用。

知而笃行

邓海啸的研究生第一年都要在中国科学技术大学集中学习。邓海啸会给他们安排一些课题，要求学生把一段时间内的工作梳理成文，“可以是论文、报告，或者技术文档。勤于整理自己的思路，工作必须处处留痕”。他还认为，做科研工作要时刻总结，修正小目标、坚定大方向非常重要。

“有了目标，就要马上行动起来，千万不能等。重复别人的工作也好，优化某个参数也好，入门越快越好。”邓海啸经常分享科研工作经验，“未必每件事情都会成功，但是不动手，永远两手空空”。

忙起来偶尔会忘了回复微信，邓海啸就鼓励学生打电话，不要顾及他可能正在忙。邓海啸愿意抽出大量时间和学生交流。“我本身就是受到中国科学院上海应用物理研究所招生老师的宣讲启发才走上这条道路的，更愿意分享自己的经验，未必是要让他们从事自由电子激光这项工作，只要在学习、工作、生活上对他们有一点点触动，我的分享就值得。”

都说兴趣是科研最好的老师，但是兴趣是怎么来的？邓海啸认为正向激励是培养兴趣的基础。“科研之路到处都是挫折，有些人意志坚定可以坚持到底，但大部分人缺乏动力，遭受打击时非常需要鼓励。如果有了成功的喜悦就应该多分享，有了小的成就需要大声表扬，绝不能吝惜自己的赞美。”

2022年，邓海啸担任上海光源科学中心加速器物理与激光技术部主任，原来负责的自由电子激光物理组变成了部门下辖的6个组之一，肩上的担子更重了。对过去，他满怀感恩；对未来，他信心满满。“我感到非常幸运，在赵振堂院士带领下、在团队共同努力下，能够参加软X射线和硬X射线自由电子激光装置的建设工作，亲眼见证并亲身实践我国加速器光源领域几代人梦想的实现。”