超強超短激光，中國領跑

■上海超強超短激光實驗裝置在國際上率先實現(xiàn)5拍瓦激光脈沖輸出 ■科研團隊：不慶功，我們繼續(xù)干活，向明年10拍瓦輸出目標進軍！

晨報記者　高　艷

今年5月30日，習近平總書記在全國科技創(chuàng)新大會、兩院院士大會、中國科協(xié)第九次全國代表大會上指出，實現(xiàn)“兩個一百年”奮斗目標，實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢，必須堅持走中國特色自主創(chuàng)新之路，面向世界科技前沿，面向經濟主戰(zhàn)場，面向國家重大需求，加快各領域科技創(chuàng)新，掌握全球科技創(chuàng)新先機。

8月，位于上海張江高科技園區(qū)的中科院上海光機所和上海科技大學超強激光光源聯(lián)合實驗室傳來喜訊：上海超強超短激光實驗裝置（SULF）取得重大階段性進展，成功實現(xiàn)了5拍瓦激光脈沖輸出，達到當前國際同類研究的領先水平。

日前，記者走進位于張江的超強激光光源聯(lián)合實驗室，悉心聆聽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到拍瓦級（PW，1015W，千萬億瓦）乃至更高量級、脈沖寬度達到數(shù)十飛秒級（fs，10-15s，千萬億分之一秒）的超強超短激光光源，是人類已知的最高光源?！?/p>

面對記者的一臉懵懂，上海光機所強場激光物理國家重點實驗室主任冷雨欣給“激光小白”開了一堂簡短的科普課。

“代表超強激光的物理單位叫‘拍瓦’。請先記住這個公式：1拍瓦=1千萬億瓦=1千萬億焦耳/秒=1015瓦?！?拍瓦激光脈沖究竟有多強？冷雨欣介紹，它相當于全球電網平均功率的500倍！之后，他又打了一個比方，“1拍瓦的光強，意味著把地球接收到的太陽總輻射聚集到頭發(fā)絲粗細的尺度，而10拍瓦光則相當于恒星內部、黑洞邊緣才能產生的光強”。

對于“超短”，他繼續(xù)科普：“1飛秒=1秒的一千萬億分之一=10-15秒。短短一瞬間，非?？?！”1飛秒究竟有多快？他解釋說，眾所周知，光速1秒鐘能穿過30萬公里；而1飛秒，就是光穿過像一張紙一樣薄的距離所需要的時間。

上過課后，記者對于超強超短激光脈沖終于有了一個形象的理解。

一次高大上的參觀

在上?？萍即髮W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，走進了心目中無比高大上的國家級實驗室。

目光所及，是各種科研儀器、長長短短的管道、大大小小的“鏡面玻璃”和一個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。冷雨欣說，這是一塊鈦寶石晶體放大器，在超強超短激光脈沖的實驗過程中能起到能量中轉站的作用?！八梢园盐覀冃枰募す饷}沖能量進行有效的放大，達到一個需要的數(shù)字。”而為了讓價值不斐的鈦寶石放大器發(fā)揮核心作用，實現(xiàn)＞200焦耳能量水平的寬帶（70納米）激光放大輸出，他表示其間團隊攻克了不少科研上的“攔路虎”。

至于那個圓滾滾的大罐子，他解釋說它的學名是大口徑真空壓縮器，作用是要把放大出來的激光脈沖進行壓縮后再輸出。

他告訴記者，實驗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）技術路線。他所在的項目研究團隊創(chuàng)新發(fā)展了大口徑高增益CPA放大器的主動寄生振蕩抑制技術和激光光譜色散的精密控制補償技術等，在國際上首次實現(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)納秒級啁啾脈沖經過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5.3拍瓦。“這是目前已知的國際最高激光脈沖峰值功率。這項重大進展，為SULF 項目實現(xiàn)10拍瓦激光脈沖輸出的研制目標奠定了堅實的技術基礎。”

一個具重大應用價值的成果

“超強超短激光，為人類提供了前所未有的極端物理條件與全新實驗手段?！?/p>

所謂極端物理條件，即超強電場、超高磁場、超高能量密度、巨大光壓、相對論效應主導等。冷雨欣指出，這對臺式化加速器、超快化學、阿秒科學、材料科學、激光聚變、核物理與核醫(yī)學、高能物理等領域具有重大應用價值。

據(jù)介紹，SULF項目預計將首批建成3個用戶實驗終端，服務于物質科學與生命科學的研究。

@平臺之一是極端條件材料科學研究平臺：基于激光脈沖產生的極端物理條件，例如瞬態(tài)超高壓和微尺度超強磁場等，利用激光產生的超快XUV源為探測手段，開展極端物理條件下材料的超高時間分辨動力學研究。

@平臺之二是超快亞原子物理研究平臺：基于激光驅動產生的超快高能粒子束流與光子束流，開展等離子體狀態(tài)反應截面，低宇宙環(huán)境噪聲下小截面反應，高能光子巨共振等研究。

@平臺之三是超快化學與大分子動力學研究平臺：基于激光驅動產生的阿秒X射線源、超快質子束以及太赫茲輻射束，實現(xiàn)有機大分子的結構測定等基礎研究。

冷雨欣舉例稱，有了足夠強足夠快的激光脈沖，科學工作者就可研發(fā)超高溫高壓情況下的材料性質，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子加速器的激光質子刀，用于癌癥的治療，“只有非常強的光強，才有把質子加速得非?？欤a生一定的能量，把質子像打靶一樣‘飛’到人體所需要治療癌癥的部位”。

超強超快的激光脈沖，可控不可控、安全不安全呢？對此，實驗室科研人員解釋，雖然5拍瓦的激光很強，但由于其持續(xù)時間很短，所對應的能量很小，“只有150焦耳，一點都不可怕”。他舉了一個例子：“1000瓦的微波爐如果加熱1秒鐘，產生的能量是1000焦耳。而我們的5拍瓦激光所產生的150焦耳，只相當于其六分之一。這點能量，如果你想熱牛奶，喝不了，奶還沒熱，熱面包的話可能還是溫的?！?/p>

一場國際前沿科技“馬拉松”

成功實現(xiàn)5拍瓦激光脈沖輸出后，有沒有大大地慶功一場？面對記者的提問，冷雨欣平靜地回答“沒有”?！爸笜艘豁楉棞y量提升，每天都在進行。革命尚未成功，我們繼續(xù)干活！”

原來，在超強激光的前沿科技創(chuàng)新領域，近十多年來，一直在進行著悄無聲息的國際科研“馬拉松”大戰(zhàn)。2010年，權威科學期刊、英國《自然》雜志的第一期以“2020Vi-sion”為題，分析未來十年重點科學領域的發(fā)展方向并提出2020年展望。其中，它預測了激光領域未來十年可能會實現(xiàn)五項重大突破，其中四個都與超強激光直接相關。

近年來，超強超短激光領域進展迅速，而“馬拉松”也大戰(zhàn)正酣。歐盟2012年啟動了ELI（Extreme 　Light 　Infrastructure）項目，計劃于2018年建成10拍瓦超強超短激光用戶裝置。英國和法國也正在開展各自的10拍瓦超強超短激光裝置的研制工作。美、俄、日本等國也紛紛提出了百拍瓦級超強超短激光裝置研究設想。

在國家發(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超短激光實驗裝置（SULF）的研制已被納入上海建設具有全球影響力的科創(chuàng)中心、打造世界級重大科技基礎設施集群的首批重大項目，也將是上海張江綜合性國家科研中心的核心平臺之一。

關于SULF的發(fā)展方向，科研人員們介紹，超強超短激光實驗裝置一年多前搬到了張江?！吧虾？苿?chuàng)中心建設有一個目標，即建設世界級大科學裝置集群。眾所周知，張江有上海光源。超強超短激光也是一種光源，與上海光源有互補性。未來我們將與上海光源和其他大項目一起，面向國內外高校、科研機構和高科技企業(yè)，搭建一個多學科綜合性研究平臺?！?/p>