超快条件物质研究系统

      1  科学目标与功能

      超快科学的研究目标是通过对物质中的原子、分子、电子等微观粒子的动力学行为进行超高时空分辨测量和控制，从而实现对相关的物理、化学、生物医学等新现象、新机制的理解和发展。基于泵浦探测方法的时间分辨测量，其分辨率和能够研究的物质种类、状态以及测量范围，受限于超短脉冲源的种类、波长、脉宽、强度以及相应的穿透深度等。具体对一个样品的研究往往不仅需要研究其表面特性，也需要研究其体效应；不仅需要在飞秒时间尺度上研究其原子或晶格的运动，也需要在阿秒时间尺度上研究对应电子的运动；不仅需要在正空间获得其原子尺度的时间分辨成像，也需要在倒格矢空间测量其晶格长程有序的细微变化。建设能够同时满足这些测量要求的综合研究平台是超快科学发展的必然要求。
      综合极端条件超快物质研究系统的具体目标是建设一个集成飞秒激光、阿秒激光、X射线激光以及超快电子脉冲源，并与光电子能谱仪、角分辨能谱仪、透射电镜以及电子衍射等终端探测装置相结合的综合超快科学研究系统，从而满足以上综合研究的要求。主要具备以下功能：
      （1）利用宽光谱可调谐的飞秒激光，在飞秒时间尺度上研究原子、分子、液体中弱键相互作用的分子体系以及固体中晶格的动力学行为。
      （2）利用极紫外波段的阿秒激光结合谱学测量技术，在阿秒时间尺度上研究样品中电子的动力学行为。
      （3）利用硬X射线波段的飞秒脉冲结合相关衍射及成像技术，实现飞秒时间分辨的样品内部结构动力学研究。
      （4）利用飞秒电子脉冲结合电镜及电子衍射技术，同时实现飞秒时间分辨、纳米空间分辨的结构动力学研究。
      超快物质研究系统提供从阿秒到飞秒的时间分辨能力，从可见光至X射线以及电子脉冲的探测脉冲源。研究对象包括原子、分子、化学反应、生物大分子、液体、相变、二维材料、高温超导等等。作为物质微观动力学研究平台与低温、高压等极端物理条件相结合，可以实现完整全面的物性研究，为当前物质科学研究发展提供新的机遇。

      2  系统构成和设计方案

      根据以上超快科学的研究需求，超快条件物质研究系统首先要发展相应的超短脉冲源，包括可见光波段的宽光谱可调谐飞秒激光、极紫外波段的阿秒激光、硬X射线波段的飞秒脉冲以及飞秒的电子脉冲。它们都是以飞秒激光为基础，通过各种非线性相互作用过程、频率变换以及与光阴极相互作用等方式获得。这些超短脉冲源进而与相关的时间分辨谱学测量技术和时间分辨的结构成像技术结合，实现泵浦探针测量，从而最终达到测量样品相关微观动力学行为的目的。

      由于测量所需超快脉冲源以及终端测量手段的不同，超快条件物质研究系统包括四个子系统：以宽光谱可调谐飞秒激光为基础的飞秒激光超快实验子系统；以极紫外阿秒激光为基础的阿秒激光超快实验子系统；以飞秒硬X射线源为基础的超快X射线动力学实验子系统；以飞秒电子脉冲源为基础的超快电镜与电子衍射实验子系统。四个子系统不仅覆盖了从光脉冲到电子脉冲、从红外光到X射线、从X射线衍射到电镜成像等目前超快科学领域最先进的研究手段，而且联合了光电子能谱仪、角分辨能谱仪、冷靶反冲动量反应谱仪以及透射电镜等目前最先进的终端探测装置。各个子系统以满足综合超快科学研究的需求为宗旨，既相互关联又自成体系。
      超快条件物质研究系统的四个子系统对实验室条件具有不同要求，特别是超快透射电镜部分，对振动影响非常敏感。为了避免其他实验装置对它的影响和干扰，超快电镜实验室将安排在独立的实验楼内。其他实验子系统包括飞秒激光子系统、阿秒激光子系统、X射线动力学子系统以及超快电子衍射部分，都是以飞秒强激光为基础的泵浦探针实验平台，对实验环境要求相近。更重要的是它们所使用的驱动激光可以共享，从而可以实现不同的参数区间。这些子系统将布局在同一实验大厅内。由于消防安全的需要，X射线动力学子系统将与其他部分有隔墙，这样也可以确保这一子系统特有的辐射安全问题，将通过在隔墙上打孔以实现激光共享。

      3  系统主要参数