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夙愿實現(xiàn)的那一刻，是什么感覺？激動？振奮？喜極而泣？

中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）研究員於亮紅的回答是：“整個人仿佛都放空了?！?/p>

那是2017年10月24日。這天一大早，於亮紅就走進位于上海浦東張江的超強超短激光實驗室。他看著到場的同事，給大家打氣：“說不定在今天，我們就能達到目標！”

轉眼到了傍晚，設備打出的脈沖能量還在300焦耳以下徘徊。他們的目標是輸出功率10拍瓦以上的激光，這需要脈沖能量至少達到330焦耳，目前還是“差口氣”。

由于設備需要散熱，每次打光至少間隔兩小時，因此一天最多能打五六次。晚上7點多，他們再次調試儀器，準備再試一次。

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

單次放大完成了，於亮紅和師弟甘澤彪（時任上海光機所助理研究員，現(xiàn)為副研究員）重新回到實驗室，查看能量計。比手機稍大一點的顯示屏上，跳動著一個從未有過的數(shù)字：339焦耳。換算一下，功率剛好達到10拍瓦！

歡呼聲響了起來，蓋過了嘀嘀聲、嗡嗡聲以及最響的隆隆聲。聞訊趕來的同事都在狂歡，最年輕的幾位興奮地跑來跑去。於亮紅坐在角落的一個小箱子上，倚著墻壁，看著眼前晃過的每一張快樂的臉龐，只覺得整個人都“空”了：過去幾個月里，每次實驗數(shù)據(jù)不達標，他都會反復思索哪里做得不夠。

這一次，終于不用再想了。

1?讓超短超強激光，更短更強！

上海超強超短激光實驗裝置（以下簡稱“羲和”裝置）在世界上首次實現(xiàn)了10拍瓦激光放大輸出！

這個從天而降的喜訊，很快成為了國內外科技熱點新聞。

10拍瓦，是當時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光聚焦在一根人類頭發(fā)絲直徑大小的點上所產(chǎn)生的光強，相當于1拍瓦，那么10拍瓦就是10個太陽的光強！

也正因如此，中國科學院院士、上海光機所研究員李儒新給這座裝置取了一個頗具中國式浪漫的名字：羲和。在《山海經(jīng)》的神話傳說中，羲和女神是10個太陽的母親。后羿射日之前，10個太陽同時凌空給大地上的生靈帶來了災難。而今，“羲和”裝置將相當于10個太陽的光芒匯聚起來，并將用這種巨大的光強造福人類。

“羲和”裝置大樓。

超強超短激光，是世界各國都在爭奪的科技制高點。

所謂“超強”，是指脈沖功率極高；所謂“超短”，是指一個脈沖的時域尺度極短，達到幾十飛秒（1飛秒為一千萬億分之一秒）的量級。眾所周知，功率等于能量除以時間，當分子極大而分母極小時，瞬時功率就會達到驚人的強度。

10拍瓦以上的激光，能在實驗室內創(chuàng)造出前所未有的超強電磁場、超高能量密度和超快時間尺度等綜合性極端物理條件。在自然環(huán)境中，這樣的條件只存在于核爆中心、恒星內部、黑洞邊緣等極端環(huán)境中。

毫無疑問，這樣的科研重器將把人類對物質世界的認知，帶入一個全新境界。

然而，人類對超強超短激光的追求伴隨著重重的艱難險阻。超短激光脈沖在能量放大過程中極具破壞性，會損壞設備。這一度成為該領域最大的瓶頸。1985年，法國科學家Gerard Mourou和加拿大科學家Donna Strickland提出一種巧妙的方法：當一個超短激光的低能量種子脈沖發(fā)出后，先把它的時域尺度拓寬，也就是俗稱的“展寬”，這樣它的整體功率就降低了，之后通過作為“儲能電池”的鈦寶石晶體，一次次把更多能量輸入這束激光中，最后對激光進行時域上的壓縮，讓它的功率達到最高——這就是著名的啁啾脈沖放大（CPA）技術。

“好比一個人，個頭兒比門還高，怎么在不損壞門框的前提下，讓他通過呢？”上海光機所研究員王文鵬打了個形象的比方，“CPA技術的思路是先讓這個人躺下，從瘦高個變得又長又扁，在通過一道道門的過程中，我們又給他加上一節(jié)節(jié)‘高蹺’。最后，當他走過所有門，再踩著高蹺站起來時，就是一個很高很高的巨人了?！?/p>

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

中國科學院院士、上海光機所研究員徐至展是國內這一領域的先行者。2002年，他領銜完成“小型化OPCPA超短超強激光裝置”，在120飛秒的瞬間獲得16.7太瓦（167億千瓦）的強大功率，這個數(shù)字遠超當時國際多數(shù)同類研究結果。

此后，徐至展和他的學生李儒新接力奮斗，致力于讓超短超強激光變得更短、更強。

2?從“小水池”游向“大海洋”

盡管OPCPA技術相比CPA技術更適合于發(fā)展超高峰值功率激光，但在當時，CPA技術路線更加成熟。因此在很多年里，上海光機所團隊堅持深耕CPA路線，先后實現(xiàn)0.89拍瓦、1拍瓦的目標。

2013年，以CPA技術為基礎的“羲和”攻關團隊成立。最初的團隊成員包括冷雨欣、梁曉燕、於亮紅、許毅等人。他們當年就研制出2拍瓦激光放大系統(tǒng)，達到當時國際最高峰值。

2014年，團隊又突破一個重大技術瓶頸，在“寄生振蕩”領域取得階段性成果。

在CPA技術路線中，玫瑰紅色的鈦寶石晶體不僅是“顏值擔當”，還是“高科技擔當”，承擔了能量儲蓄池和放大站的重要功能。理想情況下，當種子激光經(jīng)過鈦寶石時，會提取泵浦激光存儲在其中的能量，實現(xiàn)種子激光能量的顯著提升。

然而，實踐中的效果往往不盡如人意。在放大過程中，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能，導致種子激光無法實現(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”。上海光機所團隊憑借長期技術積累，有效地抑制了寄生振蕩，顯著提升了輸出能量。在后來向5拍瓦、10拍瓦進軍的過程中，隨著鈦寶石晶體的橫截面積進一步增大，寄生振蕩問題也更加突出。在一次次“魔高一尺，道高一丈”的博弈中，團隊對寄生振蕩的抑制技術不斷更新?lián)Q代。

盡管捷報頻傳，但大家已經(jīng)意識到，由于上海嘉定的實驗室場地有限，后續(xù)裝置的升級空間已經(jīng)很小了。

小池養(yǎng)不出大魚。要想獲得更強的激光，就必須找到更廣闊的空間。

2015年，“羲和”裝置關鍵技術驗證的原型——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裝置“上海光源”竣工，成為張江的著名地標之一。之后圍繞上海光源，當?shù)爻醪叫纬闪艘粋€光子科學大裝置集群。兩大裝置比鄰而居，形成完美的配合和互補，可以為在張江尋夢的科研工作者提供不同類型的光源。

第一批來到張江的“羲和”團隊成員，像蓋房子一樣，從零開始搭建這座大科學裝置。從一面面光學鏡片、一塊塊寶石晶體、一個個光學支撐架開始，建成一個個組件、一級級子系統(tǒng)，并最終形成整個裝置。但與蓋房子不同的是，放眼世界，當時還沒有一個能實現(xiàn)10拍瓦激光輸出的同類裝置，他們只能一邊開展技術攻關，一邊研制裝置，一邊實驗驗證。

“羲和”裝置大樓內景。

3?沖刺！向著世界第一

2016年1月4日，是“羲和”項目正式立項的日子。

此時，世界上最早沖擊10拍瓦激光目標的極端光設施計劃（ELI）項目已經(jīng)立項4年了。ELI項目由歐盟10多個國家和地區(qū)近40個科研機構聯(lián)合提出，投入經(jīng)費高達8.5億歐元，原計劃于2017年研制并建成數(shù)臺10拍瓦超強超短激光裝置。

除此之外，世界上還有許多國家、許多科研機構在向著10拍瓦激光這個高地沖鋒——群雄逐鹿，競爭異常激烈。

起步并不算早的“羲和”，真能后來居上、彎道超車嗎？

徐至展曾對同事說：“做科學一定要搶占世界第一，第一和第二的意義完全不同。”團隊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，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“當年批復、當年開工、當年建設”的速度奇跡。

2016年8月，團隊率先實現(xiàn)5.4拍瓦激光脈沖輸出，再次創(chuàng)造了世界最高輸出紀錄。10拍瓦的目標近在眼前，大家來不及慶功，便繼續(xù)乘勝追擊。

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

這時，上海光機所的建制化優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。2017年，上海光機所鈦寶石課題組突破大尺寸鈦寶石晶體生長關鍵技術，成功生長出直徑達235毫米的優(yōu)質鈦寶石晶體。目前，這仍然是世界上口徑最大的鈦寶石晶體。

“全世界只有兩家機構能生長大口徑鈦寶石晶體，一家是上海光機所，另一家則是一個美國公司?！鄙虾９鈾C所研究員許毅介紹，“當時，世界上在建的超強超短激光大科學裝置，絕大多數(shù)都得等待美國公司的供貨。因此，上海光機所突破200毫米以上鈦寶石晶體生長關鍵技術，就意味著我們在建造超強超短激光大科學裝置方面擁有了得天獨厚的優(yōu)勢?！?/p>

用于“羲和”裝置的鈦寶石晶體。

上海光機所經(jīng)過數(shù)十年的積淀和布局，在絕大多數(shù)光學元器件方面實現(xiàn)了自給自足。對那些在搶占科技制高點的賽道上奮力奔跑的科研人員來說，這就是身后最強大的底氣。

2017年3月起，團隊中每個成員都進入了沖刺狀態(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，當激光功率高到一定程度以后，哪怕再提高一點點，都極其困難?！鄙虾９鈾C所研究員梁曉燕回憶說，“那段時間我們好像都沒有好好休息過。激光輸出功率一直在升高，但只要沒有達到10拍瓦，我們就不覺得應該停下來?！?/p>

他們最享受的時刻，就是每次發(fā)射光源之前，大家一起躺在實驗室的地板上，討論各種技術問題的時候。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。

進入2017年10月，大家更加緊張了。處于調試中的系統(tǒng)，每天只能完成5至6次激光實驗，隨著鈦寶石口徑變大、寄生振蕩效應越來越強，所有人心里都在打鼓——我們能盡快實現(xiàn)目標嗎？

那年10月，國慶節(jié)和中秋節(jié)假期連在一起。當別人享受著8天長假、和家人團聚的時候，“羲和”團隊繼續(xù)加班加點推進項目。項目領導看到同事們如此辛苦，既感動又心疼，提出請大家一起到飯店吃頓好的，沒想到卻被拒絕了。

“我們的實驗不能中斷，如果去飯店吃飯，大家很難輪班值守?！膘读良t認真解釋著“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”團隊依舊沒有取得突破。此時，寄生振蕩已經(jīng)成了最后最難的卡點。要解決這個難題，涉及的變量非常多，大家只有一個個排查、一遍遍優(yōu)化，甚至一度把所有參數(shù)都推倒重來。10月24日，他們終于迎來了勝利的曙光，成功解決了實現(xiàn)10拍瓦激光所需的能量放大問題。

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

10拍瓦放大輸出當天團隊合影。上海光機所供圖，郭剛制版

4?站在未來

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

“羲和”團隊明白，最大的榮譽并不屬于過去，而是屬于未來。

超強超短激光迸發(fā)的巨大強度，不僅能在實驗室環(huán)境下創(chuàng)造出超越人類既往經(jīng)驗的極端物理條件，還醞釀著超乎想象的科學機遇。

就在10拍瓦激光放大輸出實現(xiàn)后不久，2018年，上海光機所在“硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）”項目的支持下，又啟動了名為“極端光物理線站”（SEL，又名“羲和二號”）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，一個新的夢想正在逐漸成型。

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

目前，科研人員正在進行100拍瓦激光裝置的研制。待該裝置建成后，人類所能創(chuàng)造的光場強度將達到一個新高峰，可用于更加前沿的科學研究。在這樣的光強下，能量或將轉化為物質。

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

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個太陽的榮光。

（原載于《中國科學報》?2024-05-29?第4版?專題）