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夙愿實(shí)現(xiàn)的那一刻，是什么感覺(jué)？激動(dòng)？振奮？喜極而泣？

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱上海光機(jī)所）研究員於亮紅的回答是：“整個(gè)人仿佛都放空了?！?/p>

那是2017年10月24日。這天一大早，於亮紅就走進(jìn)位于上海浦東張江的超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)室。他看著到場(chǎng)的同事，給大家打氣：“說(shuō)不定在今天，我們就能達(dá)到目標(biāo)！”

轉(zhuǎn)眼到了傍晚，設(shè)備打出的脈沖能量還在300焦耳以下徘徊。他們的目標(biāo)是輸出功率10拍瓦以上的激光，這需要脈沖能量至少達(dá)到330焦耳，目前還是“差口氣”。

由于設(shè)備需要散熱，每次打光至少間隔兩小時(shí)，因此一天最多能打五六次。晚上7點(diǎn)多，他們?cè)俅握{(diào)試儀器，準(zhǔn)備再試一次。

儀器調(diào)好后，實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)入操控室發(fā)出運(yùn)行指令。耳畔各種聲音此起彼落：真空設(shè)備的隆隆聲、制冷劑的嗡嗡聲、每隔半分鐘一次的嘀嘀聲……唯獨(dú)人是最安靜的：他們都在屏息凝神，等待結(jié)果揭曉的那一刻。

單次放大完成了，於亮紅和師弟甘澤彪（時(shí)任上海光機(jī)所助理研究員，現(xiàn)為副研究員）重新回到實(shí)驗(yàn)室，查看能量計(jì)。比手機(jī)稍大一點(diǎn)的顯示屏上，跳動(dòng)著一個(gè)從未有過(guò)的數(shù)字：339焦耳。換算一下，功率剛好達(dá)到10拍瓦！

歡呼聲響了起來(lái)，蓋過(guò)了嘀嘀聲、嗡嗡聲以及最響的隆隆聲。聞?dòng)嵹s來(lái)的同事都在狂歡，最年輕的幾位興奮地跑來(lái)跑去。於亮紅坐在角落的一個(gè)小箱子上，倚著墻壁，看著眼前晃過(guò)的每一張快樂(lè)的臉龐，只覺(jué)得整個(gè)人都“空”了：過(guò)去幾個(gè)月里，每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不達(dá)標(biāo)，他都會(huì)反復(fù)思索哪里做得不夠。

這一次，終于不用再想了。

1?讓超短超強(qiáng)激光，更短更強(qiáng)！

上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（以下簡(jiǎn)稱“羲和”裝置）在世界上首次實(shí)現(xiàn)了10拍瓦激光放大輸出！

這個(gè)從天而降的喜訊，很快成為了國(guó)內(nèi)外科技熱點(diǎn)新聞。

10拍瓦，是當(dāng)時(shí)人類已知最高的激光峰值功率。假如地球外有一面巨大的透鏡，把照射在地球上的所有太陽(yáng)光聚焦在一根人類頭發(fā)絲直徑大小的點(diǎn)上所產(chǎn)生的光強(qiáng)，相當(dāng)于1拍瓦，那么10拍瓦就是10個(gè)太陽(yáng)的光強(qiáng)！

也正因如此，中國(guó)科學(xué)院院士、上海光機(jī)所研究員李儒新給這座裝置取了一個(gè)頗具中國(guó)式浪漫的名字：羲和。在《山海經(jīng)》的神話傳說(shuō)中，羲和女神是10個(gè)太陽(yáng)的母親。后羿射日之前，10個(gè)太陽(yáng)同時(shí)凌空給大地上的生靈帶來(lái)了災(zāi)難。而今，“羲和”裝置將相當(dāng)于10個(gè)太陽(yáng)的光芒匯聚起來(lái)，并將用這種巨大的光強(qiáng)造福人類。

“羲和”裝置大樓。

超強(qiáng)超短激光，是世界各國(guó)都在爭(zhēng)奪的科技制高點(diǎn)。

所謂“超強(qiáng)”，是指脈沖功率極高；所謂“超短”，是指一個(gè)脈沖的時(shí)域尺度極短，達(dá)到幾十飛秒（1飛秒為一千萬(wàn)億分之一秒）的量級(jí)。眾所周知，功率等于能量除以時(shí)間，當(dāng)分子極大而分母極小時(shí)，瞬時(shí)功率就會(huì)達(dá)到驚人的強(qiáng)度。

10拍瓦以上的激光，能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造出前所未有的超強(qiáng)電磁場(chǎng)、超高能量密度和超快時(shí)間尺度等綜合性極端物理?xiàng)l件。在自然環(huán)境中，這樣的條件只存在于核爆中心、恒星內(nèi)部、黑洞邊緣等極端環(huán)境中。

毫無(wú)疑問(wèn)，這樣的科研重器將把人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)知，帶入一個(gè)全新境界。

然而，人類對(duì)超強(qiáng)超短激光的追求伴隨著重重的艱難險(xiǎn)阻。超短激光脈沖在能量放大過(guò)程中極具破壞性，會(huì)損壞設(shè)備。這一度成為該領(lǐng)域最大的瓶頸。1985年，法國(guó)科學(xué)家Gerard Mourou和加拿大科學(xué)家Donna Strickland提出一種巧妙的方法：當(dāng)一個(gè)超短激光的低能量種子脈沖發(fā)出后，先把它的時(shí)域尺度拓寬，也就是俗稱的“展寬”，這樣它的整體功率就降低了，之后通過(guò)作為“儲(chǔ)能電池”的鈦寶石晶體，一次次把更多能量輸入這束激光中，最后對(duì)激光進(jìn)行時(shí)域上的壓縮，讓它的功率達(dá)到最高——這就是著名的啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)。

“好比一個(gè)人，個(gè)頭兒比門還高，怎么在不損壞門框的前提下，讓他通過(guò)呢？”上海光機(jī)所研究員王文鵬打了個(gè)形象的比方，“CPA技術(shù)的思路是先讓這個(gè)人躺下，從瘦高個(gè)變得又長(zhǎng)又扁，在通過(guò)一道道門的過(guò)程中，我們又給他加上一節(jié)節(jié)‘高蹺’。最后，當(dāng)他走過(guò)所有門，再踩著高蹺站起來(lái)時(shí)，就是一個(gè)很高很高的巨人了。”

1992年，立陶宛科學(xué)家A. Piskarskas等又發(fā)明了光參量啁啾脈沖放大（OPCPA）技術(shù)。在某些方面，這一技術(shù)的獨(dú)特性，可以突破限制高功率激光系統(tǒng)發(fā)展的若干技術(shù)瓶頸。

中國(guó)科學(xué)院院士、上海光機(jī)所研究員徐至展是國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的先行者。2002年，他領(lǐng)銜完成“小型化OPCPA超短超強(qiáng)激光裝置”，在120飛秒的瞬間獲得16.7太瓦（167億千瓦）的強(qiáng)大功率，這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)國(guó)際多數(shù)同類研究結(jié)果。

此后，徐至展和他的學(xué)生李儒新接力奮斗，致力于讓超短超強(qiáng)激光變得更短、更強(qiáng)。

2?從“小水池”游向“大海洋”

盡管OPCPA技術(shù)相比CPA技術(shù)更適合于發(fā)展超高峰值功率激光，但在當(dāng)時(shí)，CPA技術(shù)路線更加成熟。因此在很多年里，上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持深耕CPA路線，先后實(shí)現(xiàn)0.89拍瓦、1拍瓦的目標(biāo)。

2013年，以CPA技術(shù)為基礎(chǔ)的“羲和”攻關(guān)團(tuán)隊(duì)成立。最初的團(tuán)隊(duì)成員包括冷雨欣、梁曉燕、於亮紅、許毅等人。他們當(dāng)年就研制出2拍瓦激光放大系統(tǒng)，達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際最高峰值。

2014年，團(tuán)隊(duì)又突破一個(gè)重大技術(shù)瓶頸，在“寄生振蕩”領(lǐng)域取得階段性成果。

在CPA技術(shù)路線中，玫瑰紅色的鈦寶石晶體不僅是“顏值擔(dān)當(dāng)”，還是“高科技擔(dān)當(dāng)”，承擔(dān)了能量?jī)?chǔ)蓄池和放大站的重要功能。理想情況下，當(dāng)種子激光經(jīng)過(guò)鈦寶石時(shí)，會(huì)提取泵浦激光存儲(chǔ)在其中的能量，實(shí)現(xiàn)種子激光能量的顯著提升。

然而，實(shí)踐中的效果往往不盡如人意。在放大過(guò)程中，由于大口徑晶體橫向截面較大，鈦寶石晶體自發(fā)輻射的光會(huì)在垂直于種子激光傳輸?shù)姆较蛏习l(fā)生橫向自振，消耗很大一部分鈦寶石晶體中的儲(chǔ)能，導(dǎo)致種子激光無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量放大。

這種惱人的現(xiàn)象，被形象地稱為“橫向寄生振蕩”。上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)?wèi){借長(zhǎng)期技術(shù)積累，有效地抑制了寄生振蕩，顯著提升了輸出能量。在后來(lái)向5拍瓦、10拍瓦進(jìn)軍的過(guò)程中，隨著鈦寶石晶體的橫截面積進(jìn)一步增大，寄生振蕩問(wèn)題也更加突出。在一次次“魔高一尺，道高一丈”的博弈中，團(tuán)隊(duì)對(duì)寄生振蕩的抑制技術(shù)不斷更新?lián)Q代。

盡管捷報(bào)頻傳，但大家已經(jīng)意識(shí)到，由于上海嘉定的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地有限，后續(xù)裝置的升級(jí)空間已經(jīng)很小了。

小池養(yǎng)不出大魚。要想獲得更強(qiáng)的激光，就必須找到更廣闊的空間。

2015年，“羲和”裝置關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證的原型——5拍瓦激光系統(tǒng)落戶張江。2009年，外形酷似鸚鵡螺的大科學(xué)裝置“上海光源”竣工，成為張江的著名地標(biāo)之一。之后圍繞上海光源，當(dāng)?shù)爻醪叫纬闪艘粋€(gè)光子科學(xué)大裝置集群。兩大裝置比鄰而居，形成完美的配合和互補(bǔ)，可以為在張江尋夢(mèng)的科研工作者提供不同類型的光源。

第一批來(lái)到張江的“羲和”團(tuán)隊(duì)成員，像蓋房子一樣，從零開始搭建這座大科學(xué)裝置。從一面面光學(xué)鏡片、一塊塊寶石晶體、一個(gè)個(gè)光學(xué)支撐架開始，建成一個(gè)個(gè)組件、一級(jí)級(jí)子系統(tǒng)，并最終形成整個(gè)裝置。但與蓋房子不同的是，放眼世界，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有一個(gè)能實(shí)現(xiàn)10拍瓦激光輸出的同類裝置，他們只能一邊開展技術(shù)攻關(guān)，一邊研制裝置，一邊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

“羲和”裝置大樓內(nèi)景。

3?沖刺！向著世界第一

2016年1月4日，是“羲和”項(xiàng)目正式立項(xiàng)的日子。

此時(shí)，世界上最早沖擊10拍瓦激光目標(biāo)的極端光設(shè)施計(jì)劃（ELI）項(xiàng)目已經(jīng)立項(xiàng)4年了。ELI項(xiàng)目由歐盟10多個(gè)國(guó)家和地區(qū)近40個(gè)科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出，投入經(jīng)費(fèi)高達(dá)8.5億歐元，原計(jì)劃于2017年研制并建成數(shù)臺(tái)10拍瓦超強(qiáng)超短激光裝置。

除此之外，世界上還有許多國(guó)家、許多科研機(jī)構(gòu)在向著10拍瓦激光這個(gè)高地沖鋒——群雄逐鹿，競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。

起步并不算早的“羲和”，真能后來(lái)居上、彎道超車嗎？

徐至展曾對(duì)同事說(shuō)：“做科學(xué)一定要搶占世界第一，第一和第二的意義完全不同?！眻F(tuán)隊(duì)成員把這句話放在心上，一分一秒都不敢耽擱。

科研人員快馬加鞭的同時(shí)，上海市政府、浦東新區(qū)政府也給予了全力支持。最終，“羲和”創(chuàng)造了“當(dāng)年批復(fù)、當(dāng)年開工、當(dāng)年建設(shè)”的速度奇跡。

2016年8月，團(tuán)隊(duì)率先實(shí)現(xiàn)5.4拍瓦激光脈沖輸出，再次創(chuàng)造了世界最高輸出紀(jì)錄。10拍瓦的目標(biāo)近在眼前，大家來(lái)不及慶功，便繼續(xù)乘勝追擊。

工欲善其事，必先利其器——鈦寶石被譽(yù)為超強(qiáng)超短激光裝置的“心臟”，是最核心的器件，要實(shí)現(xiàn)10拍瓦這種前所未有的高強(qiáng)度激光，就要有前所未見的大口徑鈦寶石晶體。

這時(shí)，上海光機(jī)所的建制化優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)。2017年，上海光機(jī)所鈦寶石課題組突破大尺寸鈦寶石晶體生長(zhǎng)關(guān)鍵技術(shù)，成功生長(zhǎng)出直徑達(dá)235毫米的優(yōu)質(zhì)鈦寶石晶體。目前，這仍然是世界上口徑最大的鈦寶石晶體。

“全世界只有兩家機(jī)構(gòu)能生長(zhǎng)大口徑鈦寶石晶體，一家是上海光機(jī)所，另一家則是一個(gè)美國(guó)公司?！鄙虾９鈾C(jī)所研究員許毅介紹，“當(dāng)時(shí)，世界上在建的超強(qiáng)超短激光大科學(xué)裝置，絕大多數(shù)都得等待美國(guó)公司的供貨。因此，上海光機(jī)所突破200毫米以上鈦寶石晶體生長(zhǎng)關(guān)鍵技術(shù)，就意味著我們?cè)诮ㄔ斐瑥?qiáng)超短激光大科學(xué)裝置方面擁有了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。”

用于“羲和”裝置的鈦寶石晶體。

上海光機(jī)所經(jīng)過(guò)數(shù)十年的積淀和布局，在絕大多數(shù)光學(xué)元器件方面實(shí)現(xiàn)了自給自足。對(duì)那些在搶占科技制高點(diǎn)的賽道上奮力奔跑的科研人員來(lái)說(shuō)，這就是身后最強(qiáng)大的底氣。

2017年3月起，團(tuán)隊(duì)中每個(gè)成員都進(jìn)入了沖刺狀態(tài)。

“就像考試從70分提高到90分比較容易、從95分提高到100分很難一樣，當(dāng)激光功率高到一定程度以后，哪怕再提高一點(diǎn)點(diǎn)，都極其困難?！鄙虾９鈾C(jī)所研究員梁曉燕回憶說(shuō)，“那段時(shí)間我們好像都沒(méi)有好好休息過(guò)。激光輸出功率一直在升高，但只要沒(méi)有達(dá)到10拍瓦，我們就不覺(jué)得應(yīng)該停下來(lái)?！?/p>

他們最享受的時(shí)刻，就是每次發(fā)射光源之前，大家一起躺在實(shí)驗(yàn)室的地板上，討論各種技術(shù)問(wèn)題的時(shí)候。身體的放松、頭腦的活躍和同伴之間休戚與共的情感，組合成一種奇異的愉悅。

進(jìn)入2017年10月，大家更加緊張了。處于調(diào)試中的系統(tǒng)，每天只能完成5至6次激光實(shí)驗(yàn)，隨著鈦寶石口徑變大、寄生振蕩效應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)，所有人心里都在打鼓——我們能盡快實(shí)現(xiàn)目標(biāo)嗎？

那年10月，國(guó)慶節(jié)和中秋節(jié)假期連在一起。當(dāng)別人享受著8天長(zhǎng)假、和家人團(tuán)聚的時(shí)候，“羲和”團(tuán)隊(duì)繼續(xù)加班加點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目。項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)看到同事們?nèi)绱诵量?，既感?dòng)又心疼，提出請(qǐng)大家一起到飯店吃頓好的，沒(méi)想到卻被拒絕了。

“我們的實(shí)驗(yàn)不能中斷，如果去飯店吃飯，大家很難輪班值守?！膘读良t認(rèn)真解釋著“拒吃”的原因。最后，只好給全體成員訂了外賣，這成了大家“最難忘的一次聚餐”。

10月18日，“羲和”團(tuán)隊(duì)依舊沒(méi)有取得突破。此時(shí)，寄生振蕩已經(jīng)成了最后最難的卡點(diǎn)。要解決這個(gè)難題，涉及的變量非常多，大家只有一個(gè)個(gè)排查、一遍遍優(yōu)化，甚至一度把所有參數(shù)都推倒重來(lái)。10月24日，他們終于迎來(lái)了勝利的曙光，成功解決了實(shí)現(xiàn)10拍瓦激光所需的能量放大問(wèn)題。

這一天，正是黨的十九大勝利閉幕的日子。無(wú)與倫比的喜悅和自豪，綻放在每個(gè)人心中。

10拍瓦放大輸出當(dāng)天團(tuán)隊(duì)合影。上海光機(jī)所供圖，郭剛制版

4?站在未來(lái)

2018年1月，10拍瓦激光放大輸出被《科學(xué)》雜志列為自1960年第一臺(tái)激光器發(fā)明以來(lái)，在激光脈沖功率提升方面取得的第五大里程碑式進(jìn)展。此前的四大里程碑式進(jìn)展，都是由美國(guó)科研機(jī)構(gòu)取得的。

“羲和”團(tuán)隊(duì)明白，最大的榮譽(yù)并不屬于過(guò)去，而是屬于未來(lái)。

超強(qiáng)超短激光迸發(fā)的巨大強(qiáng)度，不僅能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下創(chuàng)造出超越人類既往經(jīng)驗(yàn)的極端物理?xiàng)l件，還醞釀著超乎想象的科學(xué)機(jī)遇。

就在10拍瓦激光放大輸出實(shí)現(xiàn)后不久，2018年，上海光機(jī)所在“硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）”項(xiàng)目的支持下，又啟動(dòng)了名為“極端光物理線站”（SEL，又名“羲和二號(hào)”）的100拍瓦激光裝置研制工作。還是在張江，在與“羲和”裝置相距1000米的地方，一個(gè)新的夢(mèng)想正在逐漸成型。

“更高、更快、更強(qiáng)”，這句著名的奧林匹克格言，用來(lái)形容這群激光人的追夢(mèng)歷程，也同樣契合。

目前，科研人員正在進(jìn)行100拍瓦激光裝置的研制。待該裝置建成后，人類所能創(chuàng)造的光場(chǎng)強(qiáng)度將達(dá)到一個(gè)新高峰，可用于更加前沿的科學(xué)研究。在這樣的光強(qiáng)下，能量或?qū)⑥D(zhuǎn)化為物質(zhì)。

經(jīng)典的愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程E=mc²，描述了物質(zhì)燃燒、釋放巨大能量的過(guò)程。未來(lái)，借助超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生的驚人強(qiáng)度，人們或許能看到一個(gè)與之相反的過(guò)程：能量創(chuàng)造物質(zhì)。到那一天，人類對(duì)于宇宙起源等終極命題可能將產(chǎn)生全新的認(rèn)知。

這些看似平凡的科研人員，還在繼續(xù)奮力奔跑。這次在前方等待他們的，是燦若100個(gè)太陽(yáng)的榮光。

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-05-29?第4版?專題）