作者:张双虎 来源:中国科学报 发布时间:2021/5/4 18:54:32
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为了那束“最亮的光”
——记中科院上海光机所超强超短激光攻关青年团队

 

10拍瓦激光实验装置   受访团队供图

“这支年轻的队伍,这些年轻人是实至名归。”听到团队获得第25届“中国青年五四奖章集体”的消息后,团队带头人、中科院院士李儒新这样评价这群年轻人。

中科院上海光学精密机械研究所(以下简称上海光机所)超强超短激光攻关青年团队成立于2016年初。同年8月,他们就实现5拍瓦激光放大和脉冲压缩输出,刷新了激光脉冲峰值功率的世界纪录。

2017年10月,在国际上首次实现10拍瓦(1亿亿瓦)激光放大输出。

2020年12月,建成世界首台10拍瓦激光实验装置,屡创国际最高激光脉冲峰值功率纪录,成为光子科学研究的“国之重器”。

过去几年中,该团队不断刷新世界纪录并保持至今。关于他们的“战绩”已被主流媒体多次报道,今天,我们来了解一下这支队伍的“大目标、小故事”,看看那束“最亮的光”是如何炼成的。

真会给自己“加戏”

“这是一种前所未有的实验工具或实验手段,有了它我们就可以在实验室创造出极端物理条件,开展许多在常规情况下无法进行的研究。”上海光机所副研究员、上海超强超短激光实验装置主放大器系统负责人於亮红告诉《中国科学报》。

於亮红解释说,光的本质是一种电磁波,超强超短激光能产生极端超快的光场对带电的电子、质子等施加作用,起到似于加速器那样的作用。在电子、质子等加速过程中还可以产生一些次级辐射源,如伽马射线、x射线等,能应用于材料研究、进行癌症治疗等……基于超强超短激光可以所创造的高能量密度极端物理条件,过去还只有在核爆中心,恒星内部,或是黑洞边缘才能找到,利用它,人们就能开展天体物理研究,探索宇宙的奥秘。

正因为有重要的研究价值和应用前景,超强超短激光领域已成为国际竞争的热点。我国在超强超短激光领域布局稍晚,但进展迅速,2017年初就获得10拍瓦激光放大原理的验证,紧接着就开始实验装置建设。

这时候,一个挑战横亘在团队成员面前:我国的10拍瓦装置最初设计的发射频率是两三个小时发射一次,但此时,但此时,欧盟披露了筹建重复频率为一分钟一发的10拍瓦激光装置的计划。

“面对欧盟雄心勃勃的计划,我们要赶在欧盟前面就得加快进度。同时,原有的部分关键技术路线行不通了。”团队成员之一、上海光机所研究员许毅对《中国科学报》说,“如果采用原来经过验证的关键技术(两三个小时发射一次),率先建成装置的几率比较大,但可能我们建成以后,技术指标上就落后于人了。”

提高重复频率对团队来说是个很大的挑战,但开放运行时能够极大地提升装置整体运行效率。在上海光机所领导和团队负责人的支持和带领下,团队成员决定挑战自己,建设每分钟发射一次的10拍瓦激光实验装置。

“现在我们已经能实现三分钟发射一次的10拍瓦输出。”於亮红说,“预计很快我们就能实现每分钟发射一次。”

不管是激光装置的功率还是重复频率,上海光机所都走在世界前列。

“当时项目本身的任务已非常紧张,按照原来的设计,这个项目完全可以顺利通过验收,并得到非常好的评价。”许毅说,“在项目进行的过程中,自己站出来给自己‘加担子’的情况确实非常少见。”

许毅对自己身处的这个给自己“加戏”的团队感触颇深。“我觉得这真的是非常有担当、有魄力、有勇气”。

特殊的中秋聚餐

因为勇于给自己“加戏”,这个团队屡创第一。2018年1月,《科学》发表评论文章认为,中国引领了这一方向的研究。

成绩是干出来的。会“加戏”的团队必须能加班。

“加班这种事情在那些年里,基本上是常态。”於亮红说“用起早贪黑、废寝忘食来形容一点都不夸张。”

10拍瓦激光实验装置建在浦东张江高技术园区,离上海光机所有50多公里,园区建立之初,配套的基础设施还不完善,“建设之初,实验室里基本上就是一片空白。天一黑,周边连人都很少”,研究人员坐地铁通勤,单程差不多需要两个小时。

即使这样,团队还形成一条不成文的作息制度:早上8:30到深夜12点。为节省时间,很多人干脆住在园区,一两周才回一趟家。

10拍瓦激光实验装置建设伊始,从理论研究、器件选择、材料加工、到工程施工,诸多问题扑面而来。

钛宝石晶体元件相当于超强超短激光装置的“心脏”,因为当时欧盟也在做自己10拍瓦装置,核心部件要等他们完成输出之后才提供给别人,上海光机所决定自己攻关,并于2017年研制成功全球最大尺寸、直径达235毫米的钛宝石晶体。

於亮红说:“为节约加工部件的时间,团队成员不管早晚,都是器件或材料一运到,立刻就让它进实验室。当时很多材料都是晚上九、十点才运来,我们把它卸下来,经过清洗等一些特殊流程,弄到实验室基本上已经晚上12点了,所以加班要到凌晨都是常态。”

2017年中秋节,大家一如既往地坚守在各自岗位上,当晚原计划一起过个中秋,也好放松一下,缓解一下紧绷的神经。但当时正在验证一个关键技术,如果中断的话,再进行实验验证又需要从头开始,这会花费更多时间,所以大家一致决定,不外出聚餐了。

为此,团队负责人为大家点了披萨、水饺等小吃,还特地为大家带了月饼。晚上7点多钟,外卖陆续到齐,加班人员分成两拨,一拨留在实验室做实验,另一拨到实验室门口享受这个特别的中秋聚餐,然后再换另一拨出来。

月饼是什么馅料大家已不记得,但於亮红当天加班到深夜,蜷缩在办公室躺椅上睡着了的情景却被同事拍了下来,留存至今。

凝心聚力争第一

“我们的目标远大而清晰,当时就憋着一口气,豁出去了,要做出世界第一。”谈到团队的凝聚力,许毅说,“因为有这样一个目标,才能把一群不同学历、不同背景、不同来源的人凝聚在一起,发挥最大作用。”

该团队有50多名成员,其中有院士、有“杰青”,也有研究生和军队退伍青年。在年龄层次、文化背景和个人经历方面差别较大,而超强超短激光装置从前端、放大端、压缩端,到终端、物理物理实验平台等,有五六个大系统,成员也分为6个组。

“装置是个整体,必须把这些系统和人员高效组织起来,如果一个人或一个系统出现问题,会大大延迟项目的进展。”於亮红说,“为更好地协作,团队创设了独特的例会制度和沟通协作机制,保证个系统之间的分工和协作。”

“和其他基础设施建设项目不同,超强超短激光大科学装置不但有非常大的工程建设工作量,也有巨大的技术挑战。从技术原理验证、样机研制及测试,再到物理平台建设,整个过程只用了五六年。从晚于国外立项到率先突破技术指标,这其中有三种精神值得总结,一是团结协作的精神,二是勇于挑战的精神,三是甘于放弃的精神。”团队成员之一、上海光机所副研究员彭宇杰告诉《中国科学报》。

“10拍瓦激实验光装置国际上从未实现过,大家必须离开自己的‘舒适区’。”彭宇杰说,“很多人科研做得非常好,不参与这个项目,他们在各自的岗位上也能发挥非常大的作用,做很好的研究,发表高水平文章,按时上下班,有时间陪陪家人。但大家心甘情愿放弃了很多,义无反顾地参与到这个项目中来,这本身就难能可贵。”

“这个过程很苦,但做出成果后大家都很兴奋,也觉得很值得。”於亮红说,“团队中很多刚毕业的,都有家庭、职业生涯等压力。就是凭借‘激光在我手上,家国在我心中’的精神和家国情怀,大家舍弃了不少东西,同时也收获了很多。”

团队在超强超短激光领域不断创新,目前,他们进一步提出在硬X射线自由电子激光装置上建设以100拍瓦超强超短激光为核心的极端光物理线站并获得立项。《科学》杂志评价称,“这会是一个全新的物理学”,“中国团队正切实引领通往100拍瓦激光的道路”。

 
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