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，它能帮助科学家在原子和分子的层次上去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，它可以将微观世界的快速变化过程拍摄成分子“电影”。
从一张张建设图纸到微观世界可感可视，再到科学用户认可，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了19年，见证它的曲折经历，历数它的优秀，纷至沓来的荣誉见证了他在该领域的耕耘与成就。
受访者供图
奋起直追
2003年，上大三的邓海啸第一次接触自由电子激光概念，就是来源于上海光源科学中心一位老师的宣讲介绍。著名物理学家杨振宁称之为光源领域最值得淘的“新金矿”，打定主意的邓海啸从清华大学工程物理系毕业后，2004年进入中国科学院上海应用物理所攻读研究生，师从戴志敏研究员，开始了自由电子激光领域的漫长征途。
上世纪70年代初期，自由电子激光的概念刚从文献中诞生出来。此后数十年，西方多个国家竞相开展自由电子激光的理论和实践探索，70、80年代，西方科学家一直在长波区域、即红外、毫米波这些浅水区探索，直到2000年以后，紫外光、软X射线、硬X射线才开始快速发展，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。“这个领域的研究起步时我还没有出生，差距就是如此大”。邓海啸总结我国自由电子激光的发展历程，就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，积累了十多年的经验。2014年开始，邓海啸所在团队开始了上海软X射线自由电子激光装置的研制。当时，这是团队面临的技术要求最高的工程，这项前所未有的挑战就在“鹦鹉螺”旁边。同步辐射光源是环型，自由电子激光是直线型，两个大科学装置都是加速器领域的前沿，都是供科学家使用的尖端科研工具。
邓海啸介绍道，我们的工作偏工科，不仅要懂加速器物理知识，也要和专业组的老师同学们共同参与装置设计、设备技术指标设定和验收、装置调试。以往调试装置的经验给团队成员树立了坚定信心，但是没想到软X射线装置的调试过程和难度超乎意料。在全长532米的装置中，有成百上千个参数，实现试验装置“出光”目标就花费了3年多的时间，白天外部环境引起的地基震动和电网波动都会影响调试结果，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装置调试效率。
枯燥是科研工作的常态。“当我们面对这种复杂的问题的时候，一个人是没办法把所有关系、细节都理顺的，这个时候需要依赖团队，你的工作也只是其中的一小块，然后又是需要反复去论证迭代，枯燥避免不了，但在这枯燥重复的过程中，你会发现了新的东西，给整个团队带来转机。”
“在最紧张的那一段时间，空气中开始散发出一些焦躁，我们会给自己做一些心理调节，尽量每天晚走一些，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不一样，自由电子激光组的成员共同跨过了那段煎熬的岁月，最后人人身经百战，经验丰富”，邓海啸回忆道。
试验装置“出光”目标完成之后，团队实力和经验得到了大幅提升，用户装置“出光”目标的调试仅仅三个月就达成。经过多年的建设和精细调试，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1根头发丝的三千分之一。目前，全世界软X射线自由电子激光装置共有3台，其中一台就在上海。
勇毅攀登
2009年，美国的直线加速器相干光源成功出光，把X射线自由电子激光研究带进一个全新阶段，它可以释放世界上最亮的X光，照亮纳米级的微观世界，世界从此进入X射线激光时代，2023年，直线加速器相干光源的升级版有望产生第一批高重频的X射线激光束。该领域美国仍然独占鳌头，但是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，以及整机调试手段的掌握，必须要走一遍才能趟过去”。
在多年的装置建设和调试过程中，邓海啸提出了很多新的机制，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，他提出了相位汇聚型原理，被认为是外种子自由电子激光的新方向;2014年，邓海啸和同事们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，并率先开展了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铺平了道路，入选了当年的“中国光学十大进展”。
而他所在的这支软X射线自由电子激光攻关青年团队也是成果不断，2021年，软X射线自由电子激光攻关青年团队实现了“水窗”波段全覆盖，且输出性能优异，成为全球仅有的3台装置中最早覆盖“水窗”波段的装置;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(集体)。
目前，在保障软X射线自由电子激光运行的同时，邓海啸和他的伙伴们投身到了中国迄今为止投资最大、建设周期最长的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，总投资近100亿元。
邓海啸介绍道，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，它将在能源、环境、健康和新材料发现等解决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学位课，邓海啸会给他们安排一些课题，要求他们把一段时间内的工作梳理成文，“可以是论文，也可以是一份报告，也可以是一份技术文档，勤于整理自己的思路，工作必须处处留痕”。
“如果有了目标，就需要马上动起来，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”。邓海啸经常会分享自己的科研工作经验，“未必每件事情都会成功，但是不动手，永远两手空空”。
邓海啸忙起来偶尔忘了回复微信，他就鼓励学生打电话，不要顾及自己可能正在忙碌。他也传授自己的经验，教会学生合理利用时间，他认为，做科研工作要时刻总结，修正小目标，坚定大方向非常重要。
邓海啸十分愿意抽出大量时间和同学们交流：“我本身就是受到中国科学院上海应用物理所招生老师的宣讲启发才走上了这条道路，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，只要对他们的学习、工作、生活有一点点触动，我的分享就很值得”。
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，但他们毕竟是少数，大部分人都缺乏动力，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，绝不能吝啬自己的赞美。”
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六个组之一，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，能够在这样一个团队，在赵振堂院士的带领下，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着我国加速器光源领域几代人梦想的实现。”
