超强超短激光，中国领跑

原标题：超强超短激光，中国领跑

光速1秒钟能穿过30万公里；而1飞秒，就是光穿过像一张纸一样薄　的距离所需要的时间。　　/赵侃

今年5月30日，习近平总书记在全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上指出，实现“两个一百年”奋斗目标，实现中华民族伟大复兴的中国梦，必须坚持走中国特色自主创新之路，面向世界科技前沿，面向经济主战场，面向国家重大需求，加快各领域科技创新，掌握全球科技创新先机。

8月，位于上海张江高科技园区的中科院上海光机所和上海科技大学超强激光光源联合实验室传来喜讯：上海超强超短激光实验装置（SULF）取得重大阶段性进展，成功实现了5拍瓦激光脉冲输出，达到当前国际同类研究的领先水平。

日前，记者走进位于张江的超强激光光源联合实验室，悉心聆听科技大咖们解读这一重大科研成果背后的意义。

一堂科普课

“激光脉冲峰值功率达到拍瓦级（PW，1015W，千万亿瓦）乃至更高量级、脉冲宽度达到数十飞秒级（fs，10-15s，千万亿分之一秒）的超强超短激光光源，是人类已知的最高光源。”

面对记者的一脸懵懂，上海光机所强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣给“激光小白”开了一堂简短的科普课。

“代表超强激光的物理单位叫‘拍瓦’。请先记住这个公式：1拍瓦=1千万亿瓦=1千万亿焦耳/秒=1015瓦。”1拍瓦激光脉冲究竟有多强？冷雨欣介绍，它相当于全球电网平均功率的500倍！之后，他又打了一个比方，“1拍瓦的光强，意味着把地球接收到的太阳总辐射聚集到头发丝粗细的尺度，而10拍瓦光则相当于恒星内部、黑洞边缘才能产生的光强”。

对于“超短”，他继续科普：“1飞秒=1秒的一千万亿分之一=10-15秒。短短一瞬间，非常快！”1飞秒究竟有多快？他解释说，众所周知，光速1秒钟能穿过30万公里；而1飞秒，就是光穿过像一张纸一样薄的距离所需要的时间。

上过课后，记者对于超强超短激光脉冲终于有了一个形象的理解。

一次高大上的参观

在上海科技大学的一处安静角落，记者戴上白色防尘帽，穿上工作服，套上鞋套，走进了心目中无比高大上的国家级实验室。

目光所及，是各种科研仪器、长长短短的管道、大大小小的“镜面玻璃”和一个圆滚滚身材的大罐子。

“镜面玻璃”里，有一块大大的红颜色的“玻璃”，颇有些鹤立鸡群的架势。冷雨欣说，这是一块钛宝石晶体放大器，在超强超短激光脉冲的实验过程中能起到能量中转站的作用。“它可以把我们需要的激光脉冲能量进行有效的放大，达到一个需要的数字。”而为了让价值不斐的钛宝石放大器发挥核心作用，实现＞200焦耳能量水平的宽带（70纳米）激光放大输出，他表示其间团队攻克了不少科研上的“拦路虎”。

至于那个圆滚滚的大罐子，他解释说它的学名是大口径真空压缩器，作用是要把放大出来的激光脉冲进行压缩后再输出。

他告诉记者，实验室里的装置采用了基于大口径钛宝石晶体的啁啾脉冲放大（CPA）技术路线。他所在的项目研究团队创新发展了大口径高增益CPA放大器的主动寄生振荡抑制技术和激光光谱色散的精密控制补偿技术等，在国际上首次实现了200焦耳以上能量水平的宽带（70纳米）激光放大输出。主放大器输出的数纳秒级啁啾脉冲经过采用大口径光栅的脉冲压缩器压缩至亚30飞秒脉冲，压缩后激光脉冲的峰值功率最高可达5.3拍瓦。“这是目前已知的国际最高激光脉冲峰值功率。这项重大进展，为SULF 项目实现10拍瓦激光脉冲输出的研制目标奠定了坚实的技术基础。”

一个具重大应用价值的成果

“超强超短激光，为人类提供了前所未有的极端物理条件与全新实验手段。”

所谓极端物理条件，即超强电场、超高磁场、超高能量密度、巨大光压、相对论效应主导等。冷雨欣指出，这对台式化加速器、超快化学、阿秒科学、材料科学、激光聚变、核物理与核医学、高能物理等领域具有重大应用价值。

据介绍，SULF项目预计将首批建成3个用户实验终端，服务于物质科学与生命科学的研究。

@平台之一是极端条件材料科学研究平台：基于激光脉冲产生的极端物理条件，例如瞬态超高压和微尺度超强磁场等，利用激光产生的超快XUV源为探测手段，开展极端物理条件下材料的超高时间分辨动力学研究。

@平台之二是超快亚原子物理研究平台：基于激光驱动产生的超快高能粒子束流与光子束流，开展等离子体状态反应截面，低宇宙环境噪声下小截面反应，高能光子巨共振等研究。

@平台之三是超快化学与大分子动力学研究平台：基于激光驱动产生的阿秒X射线源、超快质子束以及太赫兹辐射束，实现有机大分子的结构测定等基础研究。

冷雨欣举例称，有了足够强足够快的激光脉冲，科学工作者就可研发超高温高压情况下的材料性质，这就为航天航空材料的研发提供广大空间。此外，还可用于研制基于小型化激光质子加速器的激光质子刀，用于癌症的治疗，“只有非常强的光强，才有把质子加速得非常快，产生一定的能量，把质子像打靶一样‘飞’到人体所需要治疗癌症的部位”。

超强超快的激光脉冲，可控不可控、安全不安全呢？对此，实验室科研人员解释，虽然5拍瓦的激光很强，但由于其持续时间很短，所对应的能量很小，“只有150焦耳，一点都不可怕”。他举了一个例子：“1000瓦的微波炉如果加热1秒钟，产生的能量是1000焦耳。而我们的5拍瓦激光所产生的150焦耳，只相当于其六分之一。这点能量，如果你想热牛奶，喝不了，奶还没热，热面包的话可能还是温的。”

一场国际前沿科技“马拉松”

成功实现5拍瓦激光脉冲输出后，有没有大大地庆功一场？面对记者的提问，冷雨欣平静地回答“没有”。“指标一项项测量提升，每天都在进行。革命尚未成功，我们继续干活！”

原来，在超强激光的前沿科技创新领域，近十多年来，一直在进行着悄无声息的国际科研“马拉松”大战。2010年，权威科学期刊、英国《自然》杂志的第一期以“2020Vi-sion”为题，分析未来十年重点科学领域的发展方向并提出2020年展望。其中，它预测了激光领域未来十年可能会实现五项重大突破，其中四个都与超强激光直接相关。

近年来，超强超短激光领域进展迅速，而“马拉松”也大战正酣。欧盟2012年启动了ELI（Extreme 　Light 　Infrastructure）项目，计划于2018年建成10拍瓦超强超短激光用户装置。英国和法国也正在开展各自的10拍瓦超强超短激光装置的研制工作。美、俄、日本等国也纷纷提出了百拍瓦级超强超短激光装置研究设想。

在国家发改委和上海市的共同支持下，以10拍瓦激光装置为核心的上海超强超短激光实验装置（SULF）的研制已被纳入上海建设具有全球影响力的科创中心、打造世界级重大科技基础设施集群的首批重大项目，也将是上海张江综合性国家科研中心的核心平台之一。

关于SULF的发展方向，科研人员们介绍，超强超短激光实验装置一年多前搬到了张江。“上海科创中心建设有一个目标，即建设世界级大科学装置集群。众所周知，张江有上海光源。超强超短激光也是一种光源，与上海光源有互补性。未来我们将与上海光源和其他大项目一起，面向国内外高校、科研机构和高科技企业，搭建一个多学科综合性研究平台。”