作者:张双虎 来源:中国科学报 发布时间:2022/2/22 21:12:08
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王文涛:找准梦想切入点

 

2019年1月11日凌晨3点,从中国科学院上海光学精密机械研究所(简称上海光机所)强场激光物理国家重点实验室里传出一阵欢呼。

随着这声欢呼,该所研究员王文涛团队在历经3000多个日夜奋战后,将“梦之束”变成了“现实之光”。

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2019年1月11日凌晨3点出光后,王文涛(前排左一)和团队合影。     上海光机所供图

如果说灵感是对艰苦劳动的奖赏,那么创新或许可以看作对梦想不懈追求者的鼓励。春节前夕,获得“2021年中科院年度创新人物”殊荣后,王文涛淡定地表示,取得领先世界的突破,“不只是团队辛苦加班就能换来的,更重要的是在深挖物理机制的基础上不断尝试,不懈追求,不停创新”。

日常工作“孕育”创新

在上海光机所强场激光物理国家重点实验室门口的LED显示屏上,一行标语格外醒目——“加班奋战三百天,不见出光誓不还”。

“这个标语不是后来加上去的。”王文涛对《中国科学报》说,“2013年实验室刚建好,我们就立下这样的誓言。”

2012年,王文涛带领一支年轻的队伍开始激光尾场电子加速和新型台式化辐射源研究。一开始,他就清楚地意识到,从事这项研究意味着可能要带领团队坐很长时间的“冷板凳”。不但发不了文章、得不到专利、甚至晋升和得到同行认可的时间也比按部就班地搞研究长得多。

当时,上海光机所非常支持这群年轻人,想尽办法为他们解除“后顾之忧”。实验室建立之初,团队就用这句铿锵的口号,表达了全力以赴的决心。

“‘三百天’是个虚指。”王文涛说,“1年365天,我们加班的天数实际上远远大于300天。”

因为进行激光尾场电子加速研究涉及精细的“调光”过程,而晚上安静的环境更有利于实验,所以加班成了常态,他们基本上每天都要忙到深夜才能回去。

自由电子激光分为三步,一是用激光驱动,激光器组每天把激光器准备好,把激光调好,聚焦到气体分子上,激发出电子产生微波场。二是调光的品质。三是将电子束调稳并达到长距离传输,实现出光。

“微波场就像船在海上高速前进时尾部产生的尾迹,它会把电子卷进去一起向前,因为光速很快,就带动电子接近光速,从而获得较高的能量。”王文涛解释说,“激光器组要花两个小时调出光,然后再用四五个小时调稳、传输。这个过程非常枯燥,但每天都得来一遍,而且前面任何细微抖动或偏离,电子束就传不到后面去。”

就这样,原本以为两三年就能完成的工作,他们日复一日地“打磨”了五六年。

“这个过程中很多工作已经体现了创新”。王文涛认为,完成这项工作首先要克服一些传统的物理难题,比如激光等离子体的不稳定性,强激光的非线性效应不稳定,小尺度加速器的物理局限等。

研究中,该团队提出并率先验证“级联尾场”“梯度注入”“协同注入”“啁啾补偿”等多种方案,验证了级联尾场加速机制、取得激光驱动产生国际最高品质(亮度接近最先进的直线加速器),最低能散(千分之二)电子束等多项世界领先成果,实现该领域从跟跑到领跑。

挖掘深层次的物理问题,并从原理性出发,找准切入的角度,提出开拓性方案,通过巧妙的实验和技术手段实现这些方案。这是王文涛团队长期以来对“创新”一词的理解。

“我们这代物理学家,可能没办法像爱因斯坦、杨振宁那样做出理论模型方面的创新。随着现代物理学的发展,基本物理原理、物理体系上的创新可能不会出现了,更多的是从实验技术和实验方案上进行创新和提升。”王文涛说,“这或许可称作方法创新或技术创新,关键是要找准切入点。”

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王文涛在工作中      上海光机所供图

出现第一缕霞光

2004年,美、法、英等国科学家首次在实验中取得激光尾波场电子加速的突破。该成果在《自然》杂志作为封面文章报道时,当时所用标题就是“dream beam”(梦之束)。

“被称作‘梦之束’大概有两层含义。”王文涛说,“一是‘梦想中的、完美的加速器’的意思,二是尚存于梦想中的、还未能实现的加速器。科学界认为,未来粒子加速器应该趋于小型化。”

激光尾波场让加速器小型化成为可能,此后,利用激光尾波场加速器驱动的小型化自由电子激光,特别是X射线波段的自由电子激光,便成为该领域科学家共同追求的前沿。

2018年,王文涛和团队成功研制出稳定台式化激光电子加速器,产生单能电子束的重复率为100%。物理学家认为,这代表《自然》专刊“2020年远景”中预测的激光领域五大突破之一“台式化粒子加速器”提前实现,也标志着我国在台式化粒子加速领域率先实现了从实验到仪器最关键的转变。

2021年,在经历十年奋战后,王文涛团队通过显著提升激光尾波场加速的电子束品质,并结合创新设计的紧凑型束流传输与辐射系统,首次实现了基于激光加速器的自由电子激光放大输出,典型激光波长27纳米,最短激光波长可达10纳米级,单脉冲能量可达100纳焦耳级,并通过轨道偏移以及自发辐射定标等方法,证明了最后一段波荡器中能量增益高达100倍。在国际上首次实现基于激光电子加速器的极紫外波段的自发辐射放大输出。

“目前已经完成了原理验证,实现了增益放大,这只是完成了第一步,还不能称之为‘完成了自由电子激光’。”王文涛说,“《自然》杂志2004年那篇文章被认为是小型化加速器的‘黎明’,我们这个成果就相当于出现了‘第一缕霞光’,目前还不是最强的光。”

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王文涛(前)在指导学生分析数据      上海光机所供图

走近“小型化”梦想

2021年7月22日,《自然》封面发表了王文涛团队的研究成果,同期《自然》和《科学》的专栏评论认为,“该成果是激光尾波场领域自2004年‘梦之束’报道以来的又一里程碑式的成果,将对同行科研人员产生重大影响,是一项重大的突破。”“这是一个巨大的进步!”

从大型计算机到PC,手机和各类手持终端,计算能力在迅速提升的同时,计算机体积也在不断缩小。同样,大型加速器不仅耗资巨大,动辄需要数十公里的设备规模也让它成为极端“奢侈”的科研装备。

“另一方面,做小也是为了做强。就像集成电路迅速发展,有了PC、手机后,人们还需要超级计算机。加速器体积小了之后,才会在可能的空间里实现更强大的功能。”王文涛说,“宇宙中已经发现了一些极高能量的电子,目前地球上还无法实现这样的高能电子,未来会通过高加速梯度的方案来模拟这样的宇宙粒子。”

加速高能粒子,除可以进行粒子对撞,研究基本物理问题外,还能将其作为辐射源,在生产生活中获得多种应用。目前,利用激光尾场电子加速器已实现十米量级,“原来需要加速几十公里才能达到的速度,现在只需十来米就能达到”。

“目前我们要进一步提升自由电子激光的输出功率和光子能量,在确保性能的前提下,向台式化自由电子激光不断努力。”王文涛说。

 

 

 
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