超強(qiáng)超短激光，中國(guó)領(lǐng)跑

■上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)5拍瓦激光脈沖輸出 ■科研團(tuán)隊(duì)：不慶功，我們繼續(xù)干活，向明年10拍瓦輸出目標(biāo)進(jìn)軍！

晨報(bào)記者　高　艷

今年5月30日，習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)科技創(chuàng)新大會(huì)、兩院院士大會(huì)、中國(guó)科協(xié)第九次全國(guó)代表大會(huì)上指出，實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)，必須堅(jiān)持走中國(guó)特色自主創(chuàng)新之路，面向世界科技前沿，面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，面向國(guó)家重大需求，加快各領(lǐng)域科技創(chuàng)新，掌握全球科技創(chuàng)新先機(jī)。

8月，位于上海張江高科技園區(qū)的中科院上海光機(jī)所和上?？萍即髮W(xué)超強(qiáng)激光光源聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室傳來(lái)喜訊：上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（SULF）取得重大階段性進(jìn)展，成功實(shí)現(xiàn)了5拍瓦激光脈沖輸出，達(dá)到當(dāng)前國(guó)際同類研究的領(lǐng)先水平。

日前，記者走進(jìn)位于張江的超強(qiáng)激光光源聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，悉心聆聽(tīng)科技大咖們解讀這一重大科研成果背后的意義。

一堂科普課

“激光脈沖峰值功率達(dá)到拍瓦級(jí)（PW，1015W，千萬(wàn)億瓦）乃至更高量級(jí)、脈沖寬度達(dá)到數(shù)十飛秒級(jí)（fs，10-15s，千萬(wàn)億分之一秒）的超強(qiáng)超短激光光源，是人類已知的最高光源。”

面對(duì)記者的一臉懵懂，上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任冷雨欣給“激光小白”開(kāi)了一堂簡(jiǎn)短的科普課。

“代表超強(qiáng)激光的物理單位叫‘拍瓦’。請(qǐng)先記住這個(gè)公式：1拍瓦=1千萬(wàn)億瓦=1千萬(wàn)億焦耳/秒=1015瓦?！?拍瓦激光脈沖究竟有多強(qiáng)？冷雨欣介紹，它相當(dāng)于全球電網(wǎng)平均功率的500倍！之后，他又打了一個(gè)比方，“1拍瓦的光強(qiáng)，意味著把地球接收到的太陽(yáng)總輻射聚集到頭發(fā)絲粗細(xì)的尺度，而10拍瓦光則相當(dāng)于恒星內(nèi)部、黑洞邊緣才能產(chǎn)生的光強(qiáng)”。

對(duì)于“超短”，他繼續(xù)科普：“1飛秒=1秒的一千萬(wàn)億分之一=10-15秒。短短一瞬間，非?？欤　?飛秒究竟有多快？他解釋說(shuō)，眾所周知，光速1秒鐘能穿過(guò)30萬(wàn)公里；而1飛秒，就是光穿過(guò)像一張紙一樣薄的距離所需要的時(shí)間。

上過(guò)課后，記者對(duì)于超強(qiáng)超短激光脈沖終于有了一個(gè)形象的理解。

一次高大上的參觀

在上?？萍即髮W(xué)的一處安靜角落，記者戴上白色防塵帽，穿上工作服，套上鞋套，走進(jìn)了心目中無(wú)比高大上的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室。

目光所及，是各種科研儀器、長(zhǎng)長(zhǎng)短短的管道、大大小小的“鏡面玻璃”和一個(gè)圓滾滾身材的大罐子。

“鏡面玻璃”里，有一塊大大的紅顏色的“玻璃”，頗有些鶴立雞群的架勢(shì)。冷雨欣說(shuō)，這是一塊鈦寶石晶體放大器，在超強(qiáng)超短激光脈沖的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能起到能量中轉(zhuǎn)站的作用?！八梢园盐覀冃枰募す饷}沖能量進(jìn)行有效的放大，達(dá)到一個(gè)需要的數(shù)字?！倍鵀榱俗寖r(jià)值不斐的鈦寶石放大器發(fā)揮核心作用，實(shí)現(xiàn)＞200焦耳能量水平的寬帶（70納米）激光放大輸出，他表示其間團(tuán)隊(duì)攻克了不少科研上的“攔路虎”。

至于那個(gè)圓滾滾的大罐子，他解釋說(shuō)它的學(xué)名是大口徑真空壓縮器，作用是要把放大出來(lái)的激光脈沖進(jìn)行壓縮后再輸出。

他告訴記者，實(shí)驗(yàn)室里的裝置采用了基于大口徑鈦寶石晶體的啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)路線。他所在的項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新發(fā)展了大口徑高增益CPA放大器的主動(dòng)寄生振蕩抑制技術(shù)和激光光譜色散的精密控制補(bǔ)償技術(shù)等，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了200焦耳以上能量水平的寬帶（70納米）激光放大輸出。主放大器輸出的數(shù)納秒級(jí)啁啾脈沖經(jīng)過(guò)采用大口徑光柵的脈沖壓縮器壓縮至亞30飛秒脈沖，壓縮后激光脈沖的峰值功率最高可達(dá)5.3拍瓦?！斑@是目前已知的國(guó)際最高激光脈沖峰值功率。這項(xiàng)重大進(jìn)展，為SULF 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)10拍瓦激光脈沖輸出的研制目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)?！?/p>

一個(gè)具重大應(yīng)用價(jià)值的成果

“超強(qiáng)超短激光，為人類提供了前所未有的極端物理?xiàng)l件與全新實(shí)驗(yàn)手段?！?/p>

所謂極端物理?xiàng)l件，即超強(qiáng)電場(chǎng)、超高磁場(chǎng)、超高能量密度、巨大光壓、相對(duì)論效應(yīng)主導(dǎo)等。冷雨欣指出，這對(duì)臺(tái)式化加速器、超快化學(xué)、阿秒科學(xué)、材料科學(xué)、激光聚變、核物理與核醫(yī)學(xué)、高能物理等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。

據(jù)介紹，SULF項(xiàng)目預(yù)計(jì)將首批建成3個(gè)用戶實(shí)驗(yàn)終端，服務(wù)于物質(zhì)科學(xué)與生命科學(xué)的研究。

@平臺(tái)之一是極端條件材料科學(xué)研究平臺(tái)：基于激光脈沖產(chǎn)生的極端物理?xiàng)l件，例如瞬態(tài)超高壓和微尺度超強(qiáng)磁場(chǎng)等，利用激光產(chǎn)生的超快XUV源為探測(cè)手段，開(kāi)展極端物理?xiàng)l件下材料的超高時(shí)間分辨動(dòng)力學(xué)研究。

@平臺(tái)之二是超快亞原子物理研究平臺(tái)：基于激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的超快高能粒子束流與光子束流，開(kāi)展等離子體狀態(tài)反應(yīng)截面，低宇宙環(huán)境噪聲下小截面反應(yīng)，高能光子巨共振等研究。

@平臺(tái)之三是超快化學(xué)與大分子動(dòng)力學(xué)研究平臺(tái)：基于激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的阿秒X射線源、超快質(zhì)子束以及太赫茲輻射束，實(shí)現(xiàn)有機(jī)大分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定等基礎(chǔ)研究。

冷雨欣舉例稱，有了足夠強(qiáng)足夠快的激光脈沖，科學(xué)工作者就可研發(fā)超高溫高壓情況下的材料性質(zhì)，這就為航天航空材料的研發(fā)提供廣大空間。此外，還可用于研制基于小型化激光質(zhì)子加速器的激光質(zhì)子刀，用于癌癥的治療，“只有非常強(qiáng)的光強(qiáng)，才有把質(zhì)子加速得非?？欤a(chǎn)生一定的能量，把質(zhì)子像打靶一樣‘飛’到人體所需要治療癌癥的部位”。

超強(qiáng)超快的激光脈沖，可控不可控、安全不安全呢？對(duì)此，實(shí)驗(yàn)室科研人員解釋，雖然5拍瓦的激光很強(qiáng)，但由于其持續(xù)時(shí)間很短，所對(duì)應(yīng)的能量很小，“只有150焦耳，一點(diǎn)都不可怕”。他舉了一個(gè)例子：“1000瓦的微波爐如果加熱1秒鐘，產(chǎn)生的能量是1000焦耳。而我們的5拍瓦激光所產(chǎn)生的150焦耳，只相當(dāng)于其六分之一。這點(diǎn)能量，如果你想熱牛奶，喝不了，奶還沒(méi)熱，熱面包的話可能還是溫的?！?/p>

一場(chǎng)國(guó)際前沿科技“馬拉松”

成功實(shí)現(xiàn)5拍瓦激光脈沖輸出后，有沒(méi)有大大地慶功一場(chǎng)？面對(duì)記者的提問(wèn)，冷雨欣平靜地回答“沒(méi)有”?！爸笜?biāo)一項(xiàng)項(xiàng)測(cè)量提升，每天都在進(jìn)行。革命尚未成功，我們繼續(xù)干活！”

原來(lái)，在超強(qiáng)激光的前沿科技創(chuàng)新領(lǐng)域，近十多年來(lái)，一直在進(jìn)行著悄無(wú)聲息的國(guó)際科研“馬拉松”大戰(zhàn)。2010年，權(quán)威科學(xué)期刊、英國(guó)《自然》雜志的第一期以“2020Vi-sion”為題，分析未來(lái)十年重點(diǎn)科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展方向并提出2020年展望。其中，它預(yù)測(cè)了激光領(lǐng)域未來(lái)十年可能會(huì)實(shí)現(xiàn)五項(xiàng)重大突破，其中四個(gè)都與超強(qiáng)激光直接相關(guān)。

近年來(lái)，超強(qiáng)超短激光領(lǐng)域進(jìn)展迅速，而“馬拉松”也大戰(zhàn)正酣。歐盟2012年啟動(dòng)了ELI（Extreme 　Light 　Infrastructure）項(xiàng)目，計(jì)劃于2018年建成10拍瓦超強(qiáng)超短激光用戶裝置。英國(guó)和法國(guó)也正在開(kāi)展各自的10拍瓦超強(qiáng)超短激光裝置的研制工作。美、俄、日本等國(guó)也紛紛提出了百拍瓦級(jí)超強(qiáng)超短激光裝置研究設(shè)想。

在國(guó)家發(fā)改委和上海市的共同支持下，以10拍瓦激光裝置為核心的上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（SULF）的研制已被納入上海建設(shè)具有全球影響力的科創(chuàng)中心、打造世界級(jí)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群的首批重大項(xiàng)目，也將是上海張江綜合性國(guó)家科研中心的核心平臺(tái)之一。

關(guān)于SULF的發(fā)展方向，科研人員們介紹，超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置一年多前搬到了張江?！吧虾？苿?chuàng)中心建設(shè)有一個(gè)目標(biāo)，即建設(shè)世界級(jí)大科學(xué)裝置集群。眾所周知，張江有上海光源。超強(qiáng)超短激光也是一種光源，與上海光源有互補(bǔ)性。未來(lái)我們將與上海光源和其他大項(xiàng)目一起，面向國(guó)內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)和高科技企業(yè)，搭建一個(gè)多學(xué)科綜合性研究平臺(tái)?！?/p>