来源: 中国科学报 发布时间:2024-5-29
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一路奔向10个太阳的辉煌

 

■本报记者 李晨阳 见习记者 江庆龄

夙愿实现的那一刻,是什么感觉?激动?振奋?喜极而泣?

中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称上海光机所)研究员於亮红的回答是:“整个人仿佛都放空了。”

那是2017年10月24日。这天一大早,於亮红就走进位于上海浦东张江的超强超短激光实验室。他看着到场的同事,给大家打气:“说不定在今天,我们就能达到目标!”

转眼到了傍晚,设备打出的脉冲能量还在300焦耳以下徘徊。他们的目标是输出功率10拍瓦以上的激光,这需要脉冲能量至少达到330焦耳,目前还是“差口气”。

由于设备需要散热,每次打光至少间隔两小时,因此一天最多能打五六次。晚上7点多,他们再次调试仪器,准备再试一次。

仪器调好后,实验人员进入操控室发出运行指令。耳畔各种声音此起彼落:真空设备的隆隆声、制冷剂的嗡嗡声、每隔半分钟一次的嘀嘀声……唯独人是最安静的:他们都在屏息凝神,等待结果揭晓的那一刻。

单次放大完成了,於亮红和师弟甘泽彪(时任上海光机所助理研究员,现为副研究员)重新回到实验室,查看能量计。比手机稍大一点的显示屏上,跳动着一个从未有过的数字:339焦耳。换算一下,功率刚好达到10拍瓦!

欢呼声响了起来,盖过了嘀嘀声、嗡嗡声以及最响的隆隆声。闻讯赶来的同事都在狂欢,最年轻的几位兴奋地跑来跑去。於亮红坐在角落的一个小箱子上,倚着墙壁,看着眼前晃过的每一张快乐的脸庞,只觉得整个人都“空”了:过去几个月里,每次实验数据不达标,他都会反复思索哪里做得不够。

这一次,终于不用再想了。

1 让超短超强激光,更短更强!

上海超强超短激光实验装置(以下简称“羲和”装置)在世界上首次实现了10拍瓦激光放大输出!

这个从天而降的喜讯,很快成为了国内外科技热点新闻。

10拍瓦,是当时人类已知最高的激光峰值功率。假如地球外有一面巨大的透镜,把照射在地球上的所有太阳光聚焦在一根人类头发丝直径大小的点上所产生的光强,相当于1拍瓦,那么10拍瓦就是10个太阳的光强!

也正因如此,中国科学院院士、上海光机所研究员李儒新给这座装置取了一个颇具中国式浪漫的名字:羲和。在《山海经》的神话传说中,羲和女神是10个太阳的母亲。后羿射日之前,10个太阳同时凌空给大地上的生灵带来了灾难。而今,“羲和”装置将相当于10个太阳的光芒汇聚起来,并将用这种巨大的光强造福人类。

“羲和”装置大楼。

超强超短激光,是世界各国都在争夺的科技制高点。

所谓“超强”,是指脉冲功率极高;所谓“超短”,是指一个脉冲的时域尺度极短,达到几十飞秒(1飞秒为一千万亿分之一秒)的量级。众所周知,功率等于能量除以时间,当分子极大而分母极小时,瞬时功率就会达到惊人的强度。

10拍瓦以上的激光,能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度等综合性极端物理条件。在自然环境中,这样的条件只存在于核爆中心、恒星内部、黑洞边缘等极端环境中。

毫无疑问,这样的科研重器将把人类对物质世界的认知,带入一个全新境界。

然而,人类对超强超短激光的追求伴随着重重的艰难险阻。超短激光脉冲在能量放大过程中极具破坏性,会损坏设备。这一度成为该领域最大的瓶颈。1985年,法国科学家Gerard Mourou和加拿大科学家Donna Strickland提出一种巧妙的方法:当一个超短激光的低能量种子脉冲发出后,先把它的时域尺度拓宽,也就是俗称的“展宽”,这样它的整体功率就降低了,之后通过作为“储能电池”的钛宝石晶体,一次次把更多能量输入这束激光中,最后对激光进行时域上的压缩,让它的功率达到最高——这就是著名的啁啾脉冲放大(CPA)技术。

“好比一个人,个头儿比门还高,怎么在不损坏门框的前提下,让他通过呢?”上海光机所研究员王文鹏打了个形象的比方,“CPA技术的思路是先让这个人躺下,从瘦高个变得又长又扁,在通过一道道门的过程中,我们又给他加上一节节‘高跷’。最后,当他走过所有门,再踩着高跷站起来时,就是一个很高很高的巨人了。”

1992年,立陶宛科学家A. Piskarskas等又发明了光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术。在某些方面,这一技术的独特性,可以突破限制高功率激光系统发展的若干技术瓶颈。

中国科学院院士、上海光机所研究员徐至展是国内这一领域的先行者。2002年,他领衔完成“小型化OPCPA超短超强激光装置”,在120飞秒的瞬间获得16.7太瓦(167亿千瓦)的强大功率,这个数字远超当时国际多数同类研究结果。

此后,徐至展和他的学生李儒新接力奋斗,致力于让超短超强激光变得更短、更强。

2 从“小水池”游向“大海洋”

尽管OPCPA技术相比CPA技术更适合于发展超高峰值功率激光,但在当时,CPA技术路线更加成熟。因此在很多年里,上海光机所团队坚持深耕CPA路线,先后实现0.89拍瓦、1拍瓦的目标。

2013年,以CPA技术为基础的“羲和”攻关团队成立。最初的团队成员包括冷雨欣、梁晓燕、於亮红、许毅等人。他们当年就研制出2拍瓦激光放大系统,达到当时国际最高峰值。

2014年,团队又突破一个重大技术瓶颈,在“寄生振荡”领域取得阶段性成果。

在CPA技术路线中,玫瑰红色的钛宝石晶体不仅是“颜值担当”,还是“高科技担当”,承担了能量储蓄池和放大站的重要功能。理想情况下,当种子激光经过钛宝石时,会提取泵浦激光存储在其中的能量,实现种子激光能量的显著提升。

然而,实践中的效果往往不尽如人意。在放大过程中,由于大口径晶体横向截面较大,钛宝石晶体自发辐射的光会在垂直于种子激光传输的方向上发生横向自振,消耗很大一部分钛宝石晶体中的储能,导致种子激光无法实现能量放大。

这种恼人的现象,被形象地称为“横向寄生振荡”。上海光机所团队凭借长期技术积累,有效地抑制了寄生振荡,显著提升了输出能量。在后来向5拍瓦、10拍瓦进军的过程中,随着钛宝石晶体的横截面积进一步增大,寄生振荡问题也更加突出。在一次次“魔高一尺,道高一丈”的博弈中,团队对寄生振荡的抑制技术不断更新换代。

尽管捷报频传,但大家已经意识到,由于上海嘉定的实验室场地有限,后续装置的升级空间已经很小了。

小池养不出大鱼。要想获得更强的激光,就必须找到更广阔的空间。

2015年,“羲和”装置关键技术验证的原型——5拍瓦激光系统落户张江。2009年,外形酷似鹦鹉螺的大科学装置“上海光源”竣工,成为张江的著名地标之一。之后围绕上海光源,当地初步形成了一个光子科学大装置集群。两大装置比邻而居,形成完美的配合和互补,可以为在张江寻梦的科研工作者提供不同类型的光源。

第一批来到张江的“羲和”团队成员,像盖房子一样,从零开始搭建这座大科学装置。从一面面光学镜片、一块块宝石晶体、一个个光学支撑架开始,建成一个个组件、一级级子系统,并最终形成整个装置。但与盖房子不同的是,放眼世界,当时还没有一个能实现10拍瓦激光输出的同类装置,他们只能一边开展技术攻关,一边研制装置,一边实验验证。

“羲和”装置大楼内景。

3 冲刺!向着世界第一

2016年1月4日,是“羲和”项目正式立项的日子。

此时,世界上最早冲击10拍瓦激光目标的极端光设施计划(ELI)项目已经立项4年了。ELI项目由欧盟10多个国家和地区近40个科研机构联合提出,投入经费高达8.5亿欧元,原计划于2017年研制并建成数台10拍瓦超强超短激光装置。

除此之外,世界上还有许多国家、许多科研机构在向着10拍瓦激光这个高地冲锋——群雄逐鹿,竞争异常激烈。

起步并不算早的“羲和”,真能后来居上、弯道超车吗?

徐至展曾对同事说:“做科学一定要抢占世界第一,第一和第二的意义完全不同。”团队成员把这句话放在心上,一分一秒都不敢耽搁。

科研人员快马加鞭的同时,上海市政府、浦东新区政府也给予了全力支持。最终,“羲和”创造了“当年批复、当年开工、当年建设”的速度奇迹。

2016年8月,团队率先实现5.4拍瓦激光脉冲输出,再次创造了世界最高输出纪录。10拍瓦的目标近在眼前,大家来不及庆功,便继续乘胜追击。

工欲善其事,必先利其器——钛宝石被誉为超强超短激光装置的“心脏”,是最核心的器件,要实现10拍瓦这种前所未有的高强度激光,就要有前所未见的大口径钛宝石晶体。

这时,上海光机所的建制化优势充分发挥出来。2017年,上海光机所钛宝石课题组突破大尺寸钛宝石晶体生长关键技术,成功生长出直径达235毫米的优质钛宝石晶体。目前,这仍然是世界上口径最大的钛宝石晶体。

“全世界只有两家机构能生长大口径钛宝石晶体,一家是上海光机所,另一家则是一个美国公司。”上海光机所研究员许毅介绍,“当时,世界上在建的超强超短激光大科学装置,绝大多数都得等待美国公司的供货。因此,上海光机所突破200毫米以上钛宝石晶体生长关键技术,就意味着我们在建造超强超短激光大科学装置方面拥有了得天独厚的优势。”

用于“羲和”装置的钛宝石晶体。

上海光机所经过数十年的积淀和布局,在绝大多数光学元器件方面实现了自给自足。对那些在抢占科技制高点的赛道上奋力奔跑的科研人员来说,这就是身后最强大的底气。

2017年3月起,团队中每个成员都进入了冲刺状态。

“就像考试从70分提高到90分比较容易、从95分提高到100分很难一样,当激光功率高到一定程度以后,哪怕再提高一点点,都极其困难。”上海光机所研究员梁晓燕回忆说,“那段时间我们好像都没有好好休息过。激光输出功率一直在升高,但只要没有达到10拍瓦,我们就不觉得应该停下来。”

他们最享受的时刻,就是每次发射光源之前,大家一起躺在实验室的地板上,讨论各种技术问题的时候。身体的放松、头脑的活跃和同伴之间休戚与共的情感,组合成一种奇异的愉悦。

进入2017年10月,大家更加紧张了。处于调试中的系统,每天只能完成5至6次激光实验,随着钛宝石口径变大、寄生振荡效应越来越强,所有人心里都在打鼓——我们能尽快实现目标吗?

那年10月,国庆节和中秋节假期连在一起。当别人享受着8天长假、和家人团聚的时候,“羲和”团队继续加班加点推进项目。项目领导看到同事们如此辛苦,既感动又心疼,提出请大家一起到饭店吃顿好的,没想到却被拒绝了。

“我们的实验不能中断,如果去饭店吃饭,大家很难轮班值守。”於亮红认真解释着“拒吃”的原因。最后,只好给全体成员订了外卖,这成了大家“最难忘的一次聚餐”。

10月18日,“羲和”团队依旧没有取得突破。此时,寄生振荡已经成了最后最难的卡点。要解决这个难题,涉及的变量非常多,大家只有一个个排查、一遍遍优化,甚至一度把所有参数都推倒重来。10月24日,他们终于迎来了胜利的曙光,成功解决了实现10拍瓦激光所需的能量放大问题。

这一天,正是党的十九大胜利闭幕的日子。无与伦比的喜悦和自豪,绽放在每个人心中。

10拍瓦放大输出当天团队合影。上海光机所供图,郭刚制版

4 站在未来

2018年1月,10拍瓦激光放大输出被《科学》杂志列为自1960年第一台激光器发明以来,在激光脉冲功率提升方面取得的第五大里程碑式进展。此前的四大里程碑式进展,都是由美国科研机构取得的。

“羲和”团队明白,最大的荣誉并不属于过去,而是属于未来。

超强超短激光迸发的巨大强度,不仅能在实验室环境下创造出超越人类既往经验的极端物理条件,还酝酿着超乎想象的科学机遇。

就在10拍瓦激光放大输出实现后不久,2018年,上海光机所在“硬X射线自由电子激光装置(SHINE)”项目的支持下,又启动了名为“极端光物理线站”(SEL,又名“羲和二号”)的100拍瓦激光装置研制工作。还是在张江,在与“羲和”装置相距1000米的地方,一个新的梦想正在逐渐成型。

“更高、更快、更强”,这句著名的奥林匹克格言,用来形容这群激光人的追梦历程,也同样契合。

目前,科研人员正在进行100拍瓦激光装置的研制。待该装置建成后,人类所能创造的光场强度将达到一个新高峰,可用于更加前沿的科学研究。在这样的光强下,能量或将转化为物质。

经典的爱因斯坦质能方程E=mc2,描述了物质燃烧、释放巨大能量的过程。未来,借助超强超短激光产生的惊人强度,人们或许能看到一个与之相反的过程:能量创造物质。到那一天,人类对于宇宙起源等终极命题可能将产生全新的认知。

这些看似平凡的科研人员,还在继续奋力奔跑。这次在前方等待他们的,是灿若100个太阳的荣光。

《中国科学报》 (2024-05-29 第4版 专题)
 
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