超強(qiáng)超短激光實驗裝置的建設(shè)，有著許多科學(xué)問題需要解決，包括高能量寬帶脈沖放大和壓縮、光譜整形、光束時域和空域質(zhì)量控制、系統(tǒng)集成等。其中，最具有代表性的是鈦寶石晶體，它被稱為“激光的心臟”…
出品：格致論道講壇
以下內(nèi)容為中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員王文鵬演講實錄：
在許多電影里都有下圖類似的武器。
▲圖源：《星球大戰(zhàn)7》電影海報
這種發(fā)光的武器，人們統(tǒng)稱它們?yōu)榧す鈩蛘呒す馕淦?。其實這么叫是不恰當(dāng)?shù)模驗樗緛淼脑O(shè)定是晶體通電之后發(fā)光的過程。所以叫它激光劍不是很恰當(dāng)，它和激光一點關(guān)系都沒有。
認(rèn)識激光
我更想把激光比作是“一支紀(jì)律嚴(yán)明的光子部隊”，它們的頻率、方向、波長都一致，很像一支閱兵時走方陣的部隊；它們步伐一致，攻擊力特別強(qiáng)。而燈光和陽光雖然也含有很多的光子，但都是雜亂無章的，沒法形成非常大的攻擊力。
因為激光的這種特性，毛主席在1963年的時候曾經(jīng)說過這樣一句話：“死光，要組織一批人專門去研究它。要有一小批人吃了飯不做別的事，專門研究它?！?/p>
毛主席把它叫做“死光”，說明這種光肯定有非常獨特的一種特性。其實毛主席在一開始鼓勵大家做這件事的時候是瞄準(zhǔn)激光武器的，1963年的時候毛主席稱它為“死光”，而并沒有稱它為“激光”。那么激光這個詞是怎么來的呢？
1960年的時候第一臺激光器被制造出來了，當(dāng)時國外給它起了一個名字，叫“l(fā)aser”。但是國內(nèi)許多科研工作者給它起的名字五花八門，有“鐳射光”、“受激輻射量子光”和“受激輻射裝置”等。我們的領(lǐng)導(dǎo)人、專家想把它的名字統(tǒng)一化。最后是誰起了“激光”這個名字？是著名科學(xué)家錢學(xué)森。其實這個名字與它的英文名字laser和功用有很大的關(guān)系。
▲激光用處
激光的這些特性到底有什么用呢？我手中的激光筆，距離非常短的時候，它就是一個點，但是我可以把它投射到很遠(yuǎn)的地方，它仍然保持一個點，而且能量非常集中。這就是利用了激光的方向性好，單色性特別高的特點。
激光還可以用于芯片加工。大家可能對最近的中興事件和華為事件有所了解，都是涉及芯片的問題，而制作芯片需要光刻機(jī)?，F(xiàn)在最高端的用于芯片加工的光刻機(jī)，工作原理就是用激光打一個錫液滴，產(chǎn)生極紫外波段的光，然后用透鏡聚焦起來，在芯片基板上進(jìn)行刻蝕。這時候就做出了手機(jī)或者電腦上使用的高端芯片。
另外，激光也可以用來做激光武器。據(jù)相關(guān)報道，在一個地基上建立的激光器可以打到數(shù)千米之外的橡皮艇上，差不多1分鐘之內(nèi)就可以將其摧毀。此外，利用激光還可以驅(qū)動蛋白質(zhì)或者細(xì)胞進(jìn)行運動，在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很多應(yīng)用。
從上圖可以看出，1960年第一臺激光器發(fā)明之后，在一二十年內(nèi)激光的強(qiáng)度保持平穩(wěn)，直到CPA技術(shù)出現(xiàn)激光的強(qiáng)度才有了飛躍發(fā)展。
CPA技術(shù)就是啁啾脈沖放大技術(shù)。這個技術(shù)可以把激光的強(qiáng)度瞬間提高很多。CPA技術(shù)到底是個什么技術(shù)呢？其實在激光領(lǐng)域要想得到比較高能量的激光輸出，需要不斷地提高種子光的能量，不斷地放大。但是元器件、鏡片都有一定的損傷閾值，激光的種子光是不能無限提升的。
好比人通過一扇門時會碰到頭，這個問題怎么解決呢？科學(xué)家找出了一種方法——“一躺解千愁”，讓人躺著過去、爬著過去，爬的過程中給他一副高蹺，過了門以后再讓他立起來。激光在放大之后就遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于種子光的光強(qiáng)了。
CPA技術(shù)（啁啾脈沖放大技術(shù)）是由Mourou和他的學(xué)生Strickland在1985年左右發(fā)明的。當(dāng)時有一個非常有意思的故事，他的學(xué)生Strickland在實驗室里做實驗的時候，無意中想到一個方法，就是用啁啾脈沖進(jìn)行激光放大，以此解決激光放大元器件損傷閾值不高的難題。
▲2018年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者
她把原來用于雷達(dá)里的啁啾脈沖放大技術(shù)應(yīng)用到了激光領(lǐng)域，用非常簡單的實驗光路完成了實驗。當(dāng)她把這件事告訴她的導(dǎo)師Mourou的時候，Mourou覺得很有意思，但是他根本沒有想過幾十年后竟然因此獲得2018年的諾貝爾物理學(xué)獎。
他們當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的CPA技術(shù)只是發(fā)表在了OC（Optics Communications）期刊上，影響因子只有一點幾，是一篇非常普通的文章。但是在2018年卻獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。這告訴我們一個什么道理呢？
諾貝爾物理學(xué)獎或者說諾貝爾獎并不是那么高深莫測，最重要的是原創(chuàng)性。原創(chuàng)性的東西如果后來被大量的人使用，得到更大的發(fā)展，從而對人類社會起到很大的推動作用，它就配得上諾貝爾獎。我覺得在座的許多小朋友，你們許多非常奇特的想法要堅持下去，把想法堅持下去，說不定多年后你也可以獲得諾貝爾獎。
諾貝爾物理學(xué)獎獲得者M(jìn)ourou跟我們的交集還是蠻多的，2017年，他被邀請到我們的實驗室來觀看超強(qiáng)超短激光，同時，他還被邀請到上?？萍即髮W(xué)進(jìn)行交流。2018年12月，他獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。2019年在SPIE國外會議上，我再次見到他，還邀請他拍了合照。
可以看到從2017年到2019年，Mourou有了很大的變化，最大的變化是什么呢？2017年，他穿的是黑色西服，2019年，他穿了非常時尚的紅色西服，變成“紅人”了，這是因為2018年12月他獲得了諾貝爾物理學(xué)獎?，F(xiàn)在Mourou在國際上做完報告以后，許多科研工作者都會邀請他一起合影，我就是其中之一。
什么是超強(qiáng)超短激光
從名字上就可以看出來，超強(qiáng)超短激光有兩大特點：第一大特點是超強(qiáng)，激光的強(qiáng)度特別高，光強(qiáng)可以達(dá)到1021W/cm2。
打一個非常形象的比喻，假設(shè)地球外面有一個非常大的透鏡，可以把照射在地球上所有的太陽光聚焦到頭發(fā)絲這么小的尺度上，這時候的光強(qiáng)就是激光所能達(dá)到的程度。
第二大特點是超短，激光的脈寬特別短，這里的脈寬是指激光存在的時間可以達(dá)到飛秒量級，1飛秒等于一千萬億分之一秒。就是因為激光可以被壓縮到這么小的時間尺度，所以它的光強(qiáng)才如此之高。
以前我經(jīng)常給國內(nèi)外的來賓或小學(xué)生講解實驗室。有一次一批小學(xué)生來參觀實驗室，快結(jié)束時，我啟發(fā)性地問了他們一個問題，我說為什么超強(qiáng)超短激光的光強(qiáng)如此之高呢？
這時候有一個小朋友特別聰明，我特別喜歡他的答案，他說“濃縮的就是精華”。確實是這樣，因為激光在時間尺度上超級濃縮，在空間尺度上也可以聚焦到一個非常小的焦斑，所以強(qiáng)度才如此之高。
同時，激光功率也是非常高的，是全球電網(wǎng)平均功率的4000倍。大家看到這個數(shù)據(jù)可能心里會有很多疑問，既然它是全球電網(wǎng)平均功率的4000倍，是不是激光開啟之后全球就沒有電了呢？其實并不是這樣的。
我們在這里給出來的是功率的概念，而電量的概念是功率乘以時間。前面說過激光的另一大特點就是超短。這么大的功率乘以那么小的飛秒時間尺度，得到的電量并不是很大，所以激光開啟之后，全球仍然有電。
世界上許多發(fā)達(dá)國家包括美國、日本、韓國等都在競相進(jìn)行10PW甚至100PW激光器的研制。中科院上海光機(jī)所早在2016年的時候就得到了5.3PW的超強(qiáng)超短激光，打破當(dāng)時的世界紀(jì)錄。2017年，我們得到了10PW的功率輸出，也是世界第一。
最近，上海市和國家共同投資一個89億元的項目，超強(qiáng)超短裝置在這里面申請到了6億元，在地下30米的地方，將要建設(shè)100PW的激光。2023年有可能會實現(xiàn)100PW的功率輸出，到時候我們?nèi)匀幌胝紦?jù)世界第一的位置。
▲SULF上海超強(qiáng)超短激光實驗裝置
這就是新建的10PW實驗室，在上?？萍即髮W(xué)的旁邊。我們不僅建設(shè)了超強(qiáng)超短激光，在后面還建立了三條束線來做不同的物理實驗。
其實這么大的科學(xué)裝置有很多關(guān)鍵技術(shù)等著我們?nèi)ソ鉀Q，包括高能量寬帶脈沖放大和壓縮、光譜整形、光束時域和空域質(zhì)量控制、系統(tǒng)集成等。
這里面具有代表性的是鈦寶石晶體，它是激光器的心臟。有了它，激光才能從比較弱能量的種子光不斷地放大，最后形成5PW、10PW甚至100PW的激光。
但是這么大口徑的鈦寶石晶體，發(fā)達(dá)國家和公司對我們是禁運的。非常幸運的是，光機(jī)所不僅能夠制造大的科學(xué)裝置，從原始的材料、晶體到鍍膜、機(jī)械加工都是自給自足的，這才支撐光機(jī)所在世界上能夠不斷占據(jù)第一的位置。
其實鈦寶石晶體的原始材料是沒有顏色的，就是因為放大的需要摻了鈦元素才呈現(xiàn)“瑰紅色”，那它是不是和珠寶店里的寶石差不多呢？
其實是差不多的，只不過珠寶店的寶石是天然的，而鈦寶石是人工的。鈦寶石的純度要比天然寶石的高得多，色澤均一性都高于天然寶石。只不過大家傳統(tǒng)的觀念里認(rèn)為天然的都是稀有的，其實鈦寶石晶體更加稀有，它關(guān)系著我們國家命運的發(fā)展，是國之重器的心臟。
超強(qiáng)超短激光的應(yīng)用
利用激光器可以進(jìn)行很多應(yīng)用，可以利用超強(qiáng)超短激光和薄膜靶加速里面的質(zhì)子。工作原理很簡單，大家都知道風(fēng)吹著帆，船會往前走，激光也可以推動薄靶板往前走來加速質(zhì)子。
在這里激光就和風(fēng)一樣，質(zhì)子就和船一樣不斷加速。只不過因為激光特別強(qiáng)，加速起來的速度比船的速度要快得多，可以達(dá)到光速。
▲傳統(tǒng)化療的弊端
我們不斷地加速這么高能量的質(zhì)子束到底有什么用呢？最重要的應(yīng)用就是質(zhì)子醫(yī)療。傳統(tǒng)的化療和放療有一個弊端，在治療的過程中會把癌細(xì)胞和健康細(xì)胞全部殺死。
一個癌癥病人最后去世并不是癌細(xì)胞把病人殺死的，而是在化療的最后，健康細(xì)胞被大量消耗，免疫力下降，普通的病毒或感冒就可能要了癌癥病人的性命。
質(zhì)子束最大的特點是指哪兒打哪兒。打一個非常形象的比喻，假如有100MeV能量的質(zhì)子束只在人體內(nèi)部5厘米的地方進(jìn)行沉積，它在過深過淺或周圍的地方都不沉積，這就大大保留了癌癥病人健康細(xì)胞的數(shù)量，從而大大提升了癌癥病人的存活概率。
▲質(zhì)子醫(yī)療
質(zhì)子醫(yī)療在上海市很早就建立起來了，上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院已經(jīng)成功地進(jìn)行質(zhì)子醫(yī)療的工作。
這家醫(yī)院于2004年開始調(diào)研，2014年進(jìn)行了第一例癌癥病人的治療，效果不錯。現(xiàn)在一個療程大概需要三四十萬元，非常貴。但是排隊等待治療的人很多，為什么呢？因為療效確實好，對癌癥病人的身體傷害程度也較低。
質(zhì)子重離子醫(yī)院因為需要依托傳統(tǒng)加速器，所以一般會在非常龐大的線性加速器旁邊建立醫(yī)院。傳統(tǒng)加速器占地面積大，耗資非常多，而超強(qiáng)超短激光的加速度是傳統(tǒng)加速器的1萬倍。
目前世界上最發(fā)達(dá)的加速器是在歐洲，橫跨三個國家，周長是27千米。按照1萬倍的加速梯度，用超強(qiáng)超短激光2.7米就可以獲得類似的結(jié)果。在未來，有可能在醫(yī)院的一個屋子里就可以產(chǎn)生或者研制出臺式化的質(zhì)子醫(yī)療儀，服務(wù)于人類的健康事業(yè)。
質(zhì)子束不僅能夠進(jìn)行質(zhì)子醫(yī)療，還可以進(jìn)行質(zhì)子束成像。我要感謝一只蜻蜓。其實每次做實驗的時候，我們的壓力特別大。有一天，我的壓力也特別大，因為激光器不是特別好，質(zhì)子束的能量比較低，實驗做不出來。
▲質(zhì)子成像
我有一個習(xí)慣，中午的時候喜歡打一會兒斯諾克，這一天突然有一只蜻蜓掉到了我的桌子上，我就想利用能量這么低的質(zhì)子束是不是可以做一些應(yīng)用呢？所以我把它抓到了實驗室，然后利用這個質(zhì)子束對它進(jìn)行了成像。
我們都知道蜻蜓的翅膀、頭部和尾巴都有不同的結(jié)構(gòu)、密度和厚度，高能質(zhì)子束穿過去的時候會有不同的透射率，如果我們在后面加一個探測片的話，可以得到完整的蜻蜓成像，同時空間分辨率可以達(dá)到微米量級。
▲最“貴”的照片
達(dá)到微米量級是非常小的空間分辨率了，這種技術(shù)未來也可以用于早期癌癥細(xì)胞的探測。健康細(xì)胞和癌細(xì)胞在形態(tài)、厚度、密度上都有不同，如果我們能拿到對照組用質(zhì)子束打過去，就可以分析癌癥病人的病情。
▲質(zhì)子成像是當(dāng)下探測等離子體中電磁場的唯一方法
質(zhì)子束有一個特點是帶電性的，像現(xiàn)在用的手機(jī)和照相機(jī)是光子的，光子是不帶電的。質(zhì)子束成像是當(dāng)下探測等離子體中電磁場的唯一方法。
“人造小太陽”托卡馬克裝置是高密度的等離子體過程，普通的相機(jī)是照不到的。而質(zhì)子束因為有穿透性，穿過去的時候，質(zhì)子束感受到里面的磁場和電場就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如果我們根據(jù)一定的數(shù)學(xué)計算把偏轉(zhuǎn)反演回去，就可以探測到等離子體中的電場和磁場以及動力學(xué)的變化過程。
▲納米刻蝕
另外，激光的焦斑特別小，可以小到微米量級、納米量級，1微米等于10-6米。激光可以進(jìn)行納米刻蝕，這是科學(xué)家在頭發(fā)絲上刻的“我們的奮斗”五個字。
▲激光引雷
激光還可以進(jìn)行天氣干預(yù)，如果未來激光技術(shù)發(fā)展得足夠好，還可以進(jìn)行激光引雷。超強(qiáng)超短激光的光強(qiáng)特別高，穿過空氣的時候會電離成等離子體。
什么是等離子體？帶電粒子、質(zhì)子、離子、電子都是等離子體。這束激光相當(dāng)于一根“電線”，如果這時有雷電發(fā)生，雷電的能量會沿著這根“電線”傳輸下來。如果我們能在地面上建造足夠大的儲能罐，那么雷電的能量就可以被我們?nèi)祟愃?，產(chǎn)生新一代的清潔能源。
▲激光誘導(dǎo)降雪
我們也可以進(jìn)行激光誘導(dǎo)降雪，當(dāng)激光進(jìn)入氣室的時候會形成相反轉(zhuǎn)動的渦旋，這里的水汽高速地碰撞，導(dǎo)致了雪凝的現(xiàn)象。激光開射半小時甚至一個小時以后，在靶壁上可以看到有大量的雪花存在。
大家可以盡情地想象，如果激光器未來發(fā)展得足夠好，我們是不是可以發(fā)射一束激光到天空中，形成一個小區(qū)域的激光誘導(dǎo)降雪，由小區(qū)域再影響到更大的區(qū)域，從而實現(xiàn)天氣的整體變化呢？科技永遠(yuǎn)會給我們帶來不可思議的一些東西。
▲基礎(chǔ)物理研究的平臺
未來發(fā)展10PW、100PW的激光器可以進(jìn)行多方面的研究，尤其是基礎(chǔ)物理研究平臺，可以研究宇宙中的伽馬射線暴、電子加速、撕裂真空實驗、暗物質(zhì)以及太赫茲新輻射源的產(chǎn)生。
最后，我作為一名普通的科研工作者，想跟大家一起交流一下到底什么是科研？我認(rèn)為科研是研究大家認(rèn)為不可思議的東西，它越不可思議、越匪夷所思就越有價值。
但這也決定了科研的本質(zhì)可能是枯燥的，甚至是痛苦的。但是我們?nèi)绻軌虻玫胶玫目蒲谐晒?，會非常高興。這就像詩中所說的那樣，漫長的科研過程如同那黑夜，而我們得到科研結(jié)果就是光明。
科研對我而言是什么呢？以前有人問我的時候，我得不到令自己幸福的答案，但我最近好像得到答案了。
我對科研可能有兩方面的認(rèn)識。一方面可能是一種哲學(xué)，它帶領(lǐng)我認(rèn)識這個世界，認(rèn)識這個世界是怎么運轉(zhuǎn)的，并有可能在某個小方向、小范圍之內(nèi)改造這個世界。大家能想到有什么事情比改造世界更令人興奮嗎？
另一方面科研也是一種情懷，無關(guān)于金錢，也無關(guān)于權(quán)勢。它可能是帶著我們一起去完成、去尋找認(rèn)知世界本質(zhì)的那份虔誠。
我會繼續(xù)做科研，也許是為了那份光明，也許是為了我心中那份隱藏的、絲絲的渴望認(rèn)知世界本質(zhì)的虔誠。
“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，致力于非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發(fā)展，由中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心和中國科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化辦公室主辦，中國科普博覽(中國科學(xué)院科普云平臺)提供技術(shù)支持。
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