長久以來，讓激光變得“超強(qiáng)”是科學(xué)家們努力的方向。兩年前的諾貝爾物理學(xué)獎，將“啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）”這個略顯拗口的名字帶進(jìn)了公眾視野。正是基于這項技術(shù)，位于上海張江的超強(qiáng)激光已達(dá)到10拍瓦級，并向百拍瓦級激光穩(wěn)步邁進(jìn)。
中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所沈百飛項目組耕耘超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用逾30年，取得了多項引領(lǐng)性研究成果，成為上海超強(qiáng)超短激光實驗裝置與國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施硬X射線自由電子激光裝置中“極端光物理線站”設(shè)計的重要依據(jù)。在日前舉行的上海市科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，“超強(qiáng)激光驅(qū)動粒子源與新光場”項目被授予2019年度上海市自然科學(xué)獎一等獎。
尋求突破 發(fā)展?jié)摿Υ?/strong>
“國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在預(yù)測今年重要科學(xué)領(lǐng)域的趨勢及挑戰(zhàn)中提到，超強(qiáng)超短激光的出現(xiàn)使我們能夠在實驗室創(chuàng)造前所未有的極端物理條件，開創(chuàng)了很多新的研究方向。”沈百飛介紹。
據(jù)悉，超強(qiáng)激光驅(qū)動粒子源具有加速能力強(qiáng)、束源小、流強(qiáng)高的特點(diǎn)，在聚變快點(diǎn)火、質(zhì)子成像、癌癥治療等方面具有重要的應(yīng)用價值與發(fā)展?jié)摿Α?/p>
在超強(qiáng)激光物理領(lǐng)域，離子加速是一個極為重要的研究方向。不過，這幾年的發(fā)展并不順利?！澳壳白顬槌墒斓臋C(jī)制叫做‘靶后鞘層加速’，它有能量小、轉(zhuǎn)換效率低、能譜寬等缺點(diǎn)。在近20年的時間內(nèi)，質(zhì)子能量增長不到一倍?！鄙虬亠w說。如何突破原有機(jī)制的局限，是超強(qiáng)激光離子加速的核心挑戰(zhàn)。
啃硬骨頭 屢獲重大突破
近年來，隨著激光強(qiáng)度的提高，強(qiáng)激光驅(qū)動正電子源逐漸成為可能，這項工作也迅速得到國際上的廣泛關(guān)注?！?016年，我們在國內(nèi)首次實現(xiàn)激光驅(qū)動正電子的產(chǎn)生，這是在我們超強(qiáng)激光反物質(zhì)物理、正負(fù)電子對撞研究等方面的重大突破?！鄙虬亠w興奮地表示。
科研人員敢“啃最硬的骨頭”，開辟了強(qiáng)場渦旋激光物理這一新的前沿領(lǐng)域，成為國際關(guān)注焦點(diǎn)并得到了實驗驗證?！皽u旋激光將平直波面變成螺旋狀，其強(qiáng)度分布則是中空結(jié)構(gòu)，它的重要特點(diǎn)是具有軌道角動量?！鄙虬亠w說。項目組還突破傳統(tǒng)光學(xué)方法的損傷閾值限制，在國際上首次提出“光扇”靶結(jié)構(gòu)，將渦旋光研究推進(jìn)到超強(qiáng)激光領(lǐng)域。
一張帆船在大海中航行的圖片，總被沈百飛用來解釋幾者間的關(guān)系。“超強(qiáng)激光的光壓可驅(qū)動離子加速，就如同風(fēng)驅(qū)動帆船；而超強(qiáng)渦旋激光提供了角動量這一全新的維度，猶如為帆船增加了舵?！?/p>
此外，項目組首次提出“光扇反射”產(chǎn)生超強(qiáng)渦旋激光的方法，并提出兼具高強(qiáng)度、短波長、高角量子數(shù)的渦旋高次諧波理論機(jī)制，獲得實驗驗證。
接續(xù)奮斗用好“屠龍劍”
這些成果的背后，是老中青三代人的接續(xù)奮斗。沈百飛的導(dǎo)師是我國超強(qiáng)超短激光與強(qiáng)場物理新領(lǐng)域的奠基者與領(lǐng)頭人徐至展院士，他的不少學(xué)生已成為中國超強(qiáng)激光科學(xué)領(lǐng)域的骨干科學(xué)家。而沈百飛也已培養(yǎng)博士生20余名，這些青年才俊也正接過前輩傳下的接力棒。
上周末，在中科院上海光機(jī)所第十六屆公眾科學(xué)日的“激光之最”環(huán)節(jié)，首先與大家見面的就是超強(qiáng)超短激光裝置。所謂“超強(qiáng)”，是激光脈沖峰值功率達(dá)到拍瓦級；所謂“超短”，是脈沖寬度達(dá)到數(shù)十飛秒級（1飛秒=1千萬億分之一秒）。功率如此之高的激光，能在實驗室里創(chuàng)造出類似于恒星內(nèi)部、黑洞邊緣的極端條件，在許多科技領(lǐng)域有重要價值。
在沈百飛眼中，超強(qiáng)超短激光裝置是“屠龍劍”。如今，坐落于張江的上海超強(qiáng)超短激光實驗裝置已經(jīng)基本建成。而以100拍瓦超強(qiáng)超短激光為核心的硬X射線自由電子激光裝置也正抓緊建設(shè)。
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