什么是皮秒拍瓦激光系統(tǒng)？
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(chēng)上海光機(jī)所）的“高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)”項(xiàng)目被列入上海市科委今年的重大科研工作科普化項(xiàng)目。該項(xiàng)目第一完成人上海光機(jī)所朱健強(qiáng)研究員近期接受了筆者采訪。應(yīng)筆者要求，朱健強(qiáng)首先就項(xiàng)目名稱(chēng)涉及的“皮秒”、“拍瓦”、“激光系統(tǒng)”等概念作了一番解讀：
拍瓦（10^15W）是一個(gè)描述一定時(shí)間范圍內(nèi)的激光瞬間功率的術(shù)語(yǔ)，與拍瓦相關(guān)的時(shí)間尺度有兩類(lèi)，一類(lèi)是皮秒（10^-12秒），一類(lèi)是飛秒（10^-15秒），兩者差別在于時(shí)間寬度，時(shí)間越長(zhǎng)，則需能量越大，才能實(shí)現(xiàn)拍瓦輸出。
記得當(dāng)時(shí)媒體報(bào)道用了1皮秒相當(dāng)于1萬(wàn)億分之一秒；1拍瓦相當(dāng)于1千萬(wàn)億瓦，這個(gè)功率差不多是全球發(fā)電總量的500倍。
從激光技術(shù)的發(fā)展軌跡看，激光的脈沖寬度（指脈沖所能達(dá)到最大值所持續(xù)的周期）從毫秒、微秒、納秒、皮秒縮短至目前的飛秒乃至阿秒，但是，隨著脈沖寬度的變窄，每個(gè)脈沖內(nèi)所包括的能量也隨之減少。
常規(guī)的放大技術(shù)，激光能量的提取效率也與激光脈寬有關(guān)，所以，實(shí)現(xiàn)拍瓦輸出，切實(shí)可行的技術(shù)方案是在激光放大過(guò)程中把納秒級(jí)脈寬的脈沖的能量放大到一定水準(zhǔn)，再把脈沖寬度壓窄到皮秒或飛秒。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在更短時(shí)間里獲得更大的能量。
實(shí)際上相關(guān)概念可以追溯到激光技術(shù)剛問(wèn)世的1964年，那時(shí)就已有文章討論啁啾脈沖可以壓縮的話題。諾獎(jiǎng)得主莫羅在20世紀(jì)80年代進(jìn)一步提出啁啾脈沖的放大壓縮概念。
20世紀(jì)90年代，科學(xué)家已經(jīng)可以把脈沖壓縮到飛秒級(jí)，但因?yàn)閴嚎s本底太大，還不具備真正物理實(shí)驗(yàn)上的可用性。
1999年勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）利用啁啾脈沖放大壓縮的基本原理，做出皮秒拍瓦激光系統(tǒng)裝置；伴隨著拍瓦激光的需求，科學(xué)家還制作出了米級(jí)尺寸每毫米1 700線的光柵。沒(méi)有大尺寸（米級(jí)）高密度光柵的制備，拍瓦激光是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。大尺度光柵制備難原因之一是原先的刻劃工藝無(wú)法制備大口徑高密度的光柵。后來(lái)圍繞這一需求發(fā)展了全息曝光刻蝕系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)光柵制備中的障礙，實(shí)現(xiàn)了高損傷閾值的大口徑光柵制備。
從概念到樣機(jī)，躋身國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)
“每項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步都是多種技術(shù)集成的結(jié)果，這其中科學(xué)思想、概念的提出起了牽引作用，但同樣重要的是要有人去解決制作中的難點(diǎn)，克服一個(gè)個(gè)障礙才能真正帶來(lái)革命性的改變”。
2020年1月14日訪問(wèn)美國(guó)羅徹斯特大學(xué)激光力學(xué)能實(shí)驗(yàn)室
在“快點(diǎn)火”研究中占一席之地
有了這樣的皮秒拍瓦裝置可以做什么有價(jià)值的事？1999年LLNL的工作讓人看到了這一裝置的潛在應(yīng)用：在激光慣性約束聚變中的“快點(diǎn)火”研究中，皮秒拍瓦激光大有用武之地！
自1996年聯(lián)合國(guó)安理會(huì)全面禁核試驗(yàn)條約生效后，各國(guó)都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室條件下模擬核爆炸過(guò)程的設(shè)備和技術(shù)，其中一個(gè)方案就是采用多束高能激光，聚焦于一個(gè)非常小的燃料小球上，使燃料小球達(dá)到高溫高壓產(chǎn)生核聚變反應(yīng)，即所謂的“點(diǎn)火”。
目前該領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)就是在激光均勻輻照球形靶丸的同時(shí)，采用一路非常強(qiáng)的點(diǎn)火激光，深入到靶丸中心，首先點(diǎn)起火來(lái)，該方案又被稱(chēng)為“快點(diǎn)火”。
在中國(guó)，類(lèi)似的由上海光機(jī)所牽頭完成的攻關(guān)項(xiàng)目被稱(chēng)為“神光Ⅱ”工程，這也是1993年朱健強(qiáng)博士畢業(yè)留所工作后參與的第一個(gè)重大項(xiàng)目。
“神光Ⅱ”工程寄托著幾代科學(xué)家的能源夢(mèng)。地球上聚變能源的原料異常豐富，1 000立方米的海水含有的聚變能量相當(dāng)于全球化石能源的總和，若將其在受控情況下釋放出來(lái)，可供人類(lèi)使用上千萬(wàn)年。研制類(lèi)似“神光Ⅱ”工程這類(lèi)大型激光裝置，是科學(xué)家探索新能源征途上的一個(gè)里程碑。
可以說(shuō)從高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)研制起步到后來(lái)牽引出聚變反應(yīng)的快點(diǎn)火以及由此衍生出的聚變能源的研究方向，這一路走來(lái)都是科學(xué)思想引領(lǐng)和重大需求牽引的結(jié)果。在中國(guó)，上海光機(jī)所牽頭的這一項(xiàng)目從一開(kāi)始就得到中科院和國(guó)家863計(jì)劃強(qiáng)有力的支持，后來(lái)滾動(dòng)到國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)。
禁運(yùn)之下的自主研發(fā)
回顧整個(gè)項(xiàng)目近30年的實(shí)施推進(jìn)過(guò)程，朱健強(qiáng)感受最深的是其中的核心器件——大尺寸（米級(jí)）光柵器件的自主研制，這種脈沖展寬壓縮過(guò)程中必不可少的核心器件美國(guó)對(duì)我們是禁運(yùn)的，所以只能靠自己研發(fā)。
在國(guó)家863計(jì)劃部署支持下，這個(gè)由上海光機(jī)所牽頭，在清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)（簡(jiǎn)稱(chēng)中科大）、蘇州大學(xué)等機(jī)構(gòu)的通力合作下實(shí)施的核心器件研發(fā)項(xiàng)目只用了短短幾年（2007—2010年）就取得了突破性進(jìn)展，包括了光柵制作涉及理論計(jì)算（清華大學(xué)為主），大口徑涂膜和曝光工藝（蘇州大學(xué)為主），光柵基板（上海光機(jī)所為主）和最終的離子刻蝕和清洗（中科大為主）：
“這種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的合作非常可貴且重要。關(guān)鍵是要有人，要有點(diǎn)石成金的戰(zhàn)略思維和組合能力。力量分散做不成大事。另外，如果能從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)，我們的研發(fā)能力也無(wú)從建立起來(lái)。從這個(gè)意義上講，禁運(yùn)催生、促進(jìn)了我們內(nèi)生的創(chuàng)新動(dòng)力和能力。那時(shí)的人都憋著一股勁，就想做這件事。而且一旦我們痛下決心干，我們中國(guó)人一定能做好。”
中國(guó)同行工作獲諾獎(jiǎng)得主引用
話題回到高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)的進(jìn)展中來(lái)。朱健強(qiáng)介紹，
團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家利用這一裝置上取得了一系列原創(chuàng)成果：
信噪比達(dá)到能開(kāi)展實(shí)質(zhì)性工作的水平；
中子產(chǎn)率獲得率達(dá)到國(guó)際最高水平；
快點(diǎn)火研究也取得了突破性進(jìn)展：激光聚變研究團(tuán)隊(duì)在上海光機(jī)所神光Ⅱ升級(jí)SGⅡU上創(chuàng)新性地采用間接驅(qū)動(dòng)打靶方式對(duì)靶丸進(jìn)行預(yù)壓縮，克服了傳統(tǒng)快點(diǎn)火用激光直接燒蝕靶丸的諸多缺陷，獲得的內(nèi)爆中子產(chǎn)額增加了280倍，達(dá)到同等能量條件下的最高水平，顯著地提升了快點(diǎn)火的能量耦合效率，即在納秒時(shí)間尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高溫點(diǎn)火。這個(gè)過(guò)程原來(lái)的方式相當(dāng)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，在壓縮汽化燃料的同時(shí)實(shí)現(xiàn)升溫至自燃，現(xiàn)在快點(diǎn)火相當(dāng)于汽油機(jī)，其中的皮秒拍瓦相當(dāng)于火花塞?？禳c(diǎn)火把高溫高密度兩者互逆的難題給解耦了。
莫羅本人和諾貝爾基金會(huì)網(wǎng)站在刊登的2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)成果介紹中都引用了中國(guó)同行的工作，朱健強(qiáng)認(rèn)為這也代表了國(guó)際頂尖科學(xué)家對(duì)中國(guó)同行工作的激賞和認(rèn)可。
而光學(xué)領(lǐng)域在21世紀(jì)的18年里6次獲得諾獎(jiǎng)也使得飛秒、皮秒激光加速走向工業(yè)、臨床醫(yī)療等方面的應(yīng)用。
激光科技造福民生前景無(wú)限
話題進(jìn)入技術(shù)應(yīng)用，這也是我們科普化解讀一定希望涉及的。事實(shí)上如今的醫(yī)療、美容領(lǐng)域，激光醫(yī)療、皮秒美容都很火，網(wǎng)上信息鋪天蓋地。為此我也請(qǐng)教眼前這位光學(xué)領(lǐng)域大專(zhuān)家如何看待激光皮秒技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)美容領(lǐng)域。
身兼中國(guó)電子學(xué)會(huì)激光專(zhuān)委會(huì)副主任委員的朱健強(qiáng)接過(guò)我的問(wèn)題回應(yīng)說(shuō)，2020年是激光技術(shù)發(fā)明60周年，激光在半個(gè)多世紀(jì)里從科學(xué)概念發(fā)展到今天滲透到科學(xué)、工業(yè)、醫(yī)療等幾乎所有領(lǐng)域，可以說(shuō)我們每個(gè)人的生活都已經(jīng)與激光及其應(yīng)用難分難舍：
“具體而言，質(zhì)子束治療早已成為癌癥治療的一個(gè)有效手段，但目前用的質(zhì)子源大都來(lái)自質(zhì)子加速器，成本很高，做一次要幾十萬(wàn)的費(fèi)用。如今激光加速質(zhì)子源已成為重要的醫(yī)療質(zhì)子源。國(guó)內(nèi)外都啟動(dòng)了相關(guān)的研究計(jì)劃，以使相關(guān)的治療成本降到千元以?xún)?nèi)。不少風(fēng)投都關(guān)注并進(jìn)入到這一領(lǐng)域，相信不出幾年就有望進(jìn)入常規(guī)的腫瘤放射性治療中。
目前醫(yī)療應(yīng)用中最有效的是激光外科，如治療近視，無(wú)論老花、近視用飛秒激光做視力矯正，都有望取代眼鏡。這在國(guó)外已經(jīng)很實(shí)用了。原先的激光治療就是短脈沖把近視變成視力正常，現(xiàn)在發(fā)展到不僅可矯正視力，而且能解決眼睛老花，其原理是把成像范圍拓寬了。
美容領(lǐng)域的潤(rùn)膚亮膚、黑色素祛除、文身去除等早就用了激光技術(shù)。
還有文物修復(fù)領(lǐng)域從原來(lái)的化學(xué)清除現(xiàn)在可以做到無(wú)損清除。激光能有效去除文物表面的污漬，幫助恢復(fù)到物品的原始狀態(tài)?！?/p>
努力實(shí)現(xiàn)幾代物理學(xué)家的聚變能源夢(mèng)
采訪臨近尾聲。采訪提綱中最后一個(gè)問(wèn)題使得話題再次回到高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)，即隨著高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)物理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可以帶動(dòng)的工作很多，接下來(lái)朱健強(qiáng)和他的團(tuán)隊(duì)最想做的是什么。
可能這個(gè)問(wèn)題正對(duì)上朱健強(qiáng)近期工作的興奮點(diǎn)，所以馬上引出他以下的介紹：正是我們前期的這些工作催生了中國(guó)科學(xué)院的一項(xiàng)先導(dǎo)A類(lèi)計(jì)劃。
所謂先導(dǎo)A類(lèi)計(jì)劃是中國(guó)科學(xué)院前些年開(kāi)始推出的通過(guò)對(duì)遴選的若干重大項(xiàng)目給予重點(diǎn)支持，使得我國(guó)在該領(lǐng)域走向世界前沿。這一先導(dǎo)計(jì)劃的主要思想源于張杰院士1997年提出的科學(xué)構(gòu)想，但一直無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。
2017年在科學(xué)院的一個(gè)場(chǎng)合下，兩位科學(xué)家不期而遇聊到希望用一種簡(jiǎn)單有效的解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火途徑，最終使聚變能源得以實(shí)現(xiàn)這個(gè)話題。共同的學(xué)術(shù)興趣和追求，特別是高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)和“神光Ⅱ升級(jí)裝置”已具備的能量，立即點(diǎn)燃雙方的激情，決意共同推進(jìn)快點(diǎn)火研究。
2020年4月25日，先導(dǎo)物理實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)合影，中間為張杰院士
在中科院先導(dǎo)計(jì)劃支持下的這一中國(guó)快點(diǎn)火方案2019年提出后立即得到國(guó)際同行的高度關(guān)注，并很快與國(guó)際同行簽訂了一項(xiàng)以我國(guó)為主的“高能量密度物理”的大科學(xué)計(jì)劃，參加者有英、美、日、法、捷克等國(guó)家：
“這個(gè)國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃的平臺(tái)在我們光機(jī)所，其愿景是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火目標(biāo)及實(shí)現(xiàn)途徑，為聚變能源實(shí)現(xiàn)做鋪墊。這也是幾代物理學(xué)家的夙愿?！?/p>
從1991年進(jìn)入上海光機(jī)所師從陳紹和、鄧錫銘老師進(jìn)入高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域到2019年5月摘取上?？萍歼M(jìn)步一等獎(jiǎng)桂冠，從1993年研制出高能激光系統(tǒng)樣機(jī)到20年后主持研制出我國(guó)首個(gè)快點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置——高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)……朱健強(qiáng)是我國(guó)激光技術(shù)不斷發(fā)展的見(jiàn)證人和引領(lǐng)者。我們也期待進(jìn)入皮秒、拍瓦時(shí)代的中國(guó)激光科技能書(shū)寫(xiě)更恢宏的篇章。
作者手記：
朱健強(qiáng)研究員領(lǐng)銜完成的“高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)”項(xiàng)目摘得2018年度上?？萍歼M(jìn)步一等獎(jiǎng)，對(duì)這一足以顯示國(guó)之重器價(jià)值的重大科學(xué)工程項(xiàng)目，媒體做了很多報(bào)道，這些報(bào)道也勾起了我18年前對(duì)朱健強(qiáng)做啟明星采訪的美好回憶。
當(dāng)時(shí)37歲的朱健強(qiáng)受命出任中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海光機(jī)所）常務(wù)副所長(zhǎng)。記得采訪時(shí)更多是從作為掌門(mén)人的他如何根據(jù)中科院知識(shí)創(chuàng)新工程的總體要求,制定光機(jī)所未來(lái)5年的發(fā)展戰(zhàn)略及相應(yīng)的人才戰(zhàn)略，帶領(lǐng)這個(gè)有彪炳業(yè)績(jī)的研究大所邁向新的輝煌。而對(duì)于他本人的科研工作及亮點(diǎn)未多著筆墨。
所以，當(dāng)上海市科委的重大科研工作科普化項(xiàng)目邀我對(duì)朱健強(qiáng)等完成的這一成果作科普化解讀時(shí)，我欣然答應(yīng)，因?yàn)檫@使我有機(jī)會(huì)再度和朱老師見(jiàn)面，聽(tīng)他介紹這項(xiàng)工作的來(lái)龍去脈及近些年來(lái)的新進(jìn)展，彌補(bǔ)2002年那次啟明星訪問(wèn)的缺憾。
“世界科學(xué)”聯(lián)合“賽先生”等微信公號(hào)，在上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助下，開(kāi)辟“走近科學(xué)”欄目，對(duì)獲得國(guó)家及上海市科技獎(jiǎng)勵(lì)的成果進(jìn)行科普化報(bào)道。
本篇圍繞2018年上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)——“高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)”項(xiàng)目，該獎(jiǎng)項(xiàng)由中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所朱健強(qiáng)領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)獲得。
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