书写皮秒拍瓦时代激光科技新篇章︱走近科学

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本栏目由“世界科学”“赛先生”联合出品


朱健强研究员(右)


朱健强研究员领衔完成的“高能皮秒拍瓦激光系统”项目摘得2018年度上海科技进步一等奖,对这一足以显示国之重器价值的重大科学工程项目,媒体做了很多报道,这些报道也勾起了我18年前对朱健强做启明星采访的美好回忆。


当时37岁的朱健强受命出任中科院上海光学精密机械研究所(以下简称上海光机所)常务副所长。记得采访时更多是从作为掌门人的他如何根据中科院知识创新工程的总体要求,制定光机所未来5年的发展战略及相应的人才战略,带领这个有彪炳业绩的研究大所迈向新的辉煌。而对于他本人的科研工作及亮点未多着笔墨。


所以,当上海市科委的重大科研工作科普化项目邀我对朱健强等完成的这一成果作科普化解读时,我欣然答应,因为这使我有机会再度和朱老师见面,听他介绍这项工作的来龙去脉及近些年来的新进展,弥补2002年那次启明星访问的缺憾。



什么是皮秒拍瓦激光系统?


由于双方事先进行了沟通,所以采访马上进入正题。朱健强首先应我要求把项目名称涉及的“皮秒”“拍瓦”“激光系统”等概念作了一番解读:


拍瓦(1015W)是一个描述一定时间范围内的激光瞬间功率的术语,与拍瓦相关的时间尺度有两类,一类是皮秒(10^-12秒),一类是飞秒(10^-15秒),两者差别在于时间宽度,时间越长,则需能量越大,才能实现拍瓦输出。

记得当时媒体报道用了1皮秒相当于1万亿分之一秒;1拍瓦相当于1千万亿瓦,这个功率差不多是全球发电总量的500倍。

从激光技术的发展轨迹看,激光的脉冲宽度(指脉冲所能达到最大值所持续的周期)从毫秒、微秒、纳秒、皮秒缩短至目前的飞秒乃至阿秒,但是,随着脉冲宽度的变窄,每个脉冲内所包括的能量也随之减少。

常规的放大技术,激光能量的提取效率也与激光脉宽有关,所以,实现拍瓦输出,切实可行的技术方案是在激光放大过程中把纳秒级脉宽的脉冲的能量放大到一定水准,再把脉冲宽度压窄到皮秒或飞秒。简单来说,在更短时间里获得更大的能量。


实际上相关概念可以追溯到激光技术刚问世的1964年,那时就已有文章讨论啁啾脉冲可以压缩的话题。诺奖得主莫罗在20世纪80年代进一步提出啁啾脉冲的放大压缩概念。

20世纪90年代,科学家已经可以把脉冲压缩到飞秒级,但因为压缩本底太大,还不具备真正物理实验上的可用性。

1999年劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)利用啁啾脉冲放大压缩的基本原理,做出皮秒拍瓦激光系统装置;伴随着拍瓦激光的需求,科学家还制作出了米级尺寸每毫米1 700线的光栅。没有大尺寸(米级)高密度光栅的制备,拍瓦激光是无法实现的。大尺度光栅制备难原因之一是原先的刻划工艺无法制备大口径高密度的光栅。后来围绕这一需求发展了全息曝光刻蚀系统,克服了传统光栅制备中的障碍,实现了高损伤阈值的大口径光栅制备。


从概念到样机,跻身国际竞争


朱健强说,纵观由光栅对压缩脉冲的技术演进到最终导致激光系统问世可以清晰看出,一个系统从概念提出到制备上可实现到最后可用、好用要克服许多技术障碍,其中尤为重要的是关键元器件的研发制备:


“每项技术进步都是多种技术集成的结果,这其中科学思想、概念的提出起了牵引作用,但同样重要的是要有人去解决制作中的难点,克服一个个障碍才能真正带来革命性的改变”。


回过头来看,围绕高能皮秒拍瓦激光系统建设的这场国际科技竞赛中,中国科学家不但没有缺席,而且在若干重要方向和领域做到了国际前沿水平。


随着朱健强的回溯,我们可以大致梳理出中国科学家在这一国际科技竞赛中的作为:上海光机所是从20世纪90年代初就有这样的想法并开始进入这个领域,从演示系统一直做到系统方案完成。


当年(1991年),朱健强刚到光机所攻读博士,他的两位导师之一的陈绍和研究员(另一位导师是邓锡铭院士)那时就提出激光放大技术的想法,这比LLNL的人都早。朱健强至今记得陈老师当时兴冲冲来提他的想法的兴奋神情:


“陈老师提出的这个科学构想后就作为我的博士课题来做实验。我在看文献时知道莫罗早在80年代就提出用光纤去产生宽带脉冲的啁啾方案,但实验过程中产生的很多非线性高阶效应,导致脉冲压缩后信噪比很差而无法实用。”


为解决光纤中非线性过程所产生的信噪比退化难题,朱健强尝试用负反馈产生的稳态锁模的皮秒脉冲,开展展宽、放大和压缩实验,走通了基本原理的判断。后来随着激光技术发展,宽带脉冲种子源也得以解决,这样就进入到实验和工程阶段。上海光机所也因此成为当时领域内国际同行关注的一个有实力的研究团队。

2020年1月14日访问美国罗彻斯特大学激光力学能实验室


在“快点火”研究中占一席之地


有了这样的皮秒拍瓦装置可以做什么有价值的事?1999年LLNL的工作让人看到了这一装置的潜在应用:在激光惯性约束聚变中的“快点火”研究中,皮秒拍瓦激光大有用武之地!

自1996年联合国安理会全面禁核试验条约生效后,各国都在竞相开发实验室条件下模拟核爆炸过程的设备和技术,其中一个方案就是采用多束高能激光,聚焦于一个非常小的燃料小球上,使燃料小球达到高温高压产生核聚变反应,即所谓的“点火”。

目前该领域的一个热点就是在激光均匀辐照球形靶丸的同时,采用一路非常强的点火激光,深入到靶丸中心,首先点起火来,该方案又被称为“快点火”。

在中国,类似的由上海光机所牵头完成的攻关项目被称为“神光Ⅱ”工程,这也是1993年朱健强博士毕业留所工作后参与的第一个重大项目。

“神光Ⅱ”工程寄托着几代科学家的能源梦。地球上聚变能源的原料异常丰富,1 000立方米的海水含有的聚变能量相当于全球化石能源的总和,若将其在受控情况下释放出来,可供人类使用上千万年。研制类似“神光Ⅱ”工程这类大型激光装置,是科学家探索新能源征途上的一个里程碑。

可以说从高能皮秒拍瓦激光系统研制起步到后来牵引出聚变反应的快点火以及由此衍生出的聚变能源的研究方向,这一路走来都是科学思想引领和重大需求牵引的结果。在中国,上海光机所牵头的这一项目从一开始就得到中科院和国家863计划强有力的支持,后来滚动到国家重大科技专项。


国内疫情状况


回顾整个项目近30年的实施推进过程,朱健强感受最深的是其中的核心器件——大尺寸(米级)光栅器件的自主研制,这种脉冲展宽压缩过程中必不可少的核心器件美国对我们是禁运的,所以只能靠自己研发。


在国家863计划部署支持下,这个由上海光机所牵头,在清华大学、中国科技大学(简称中科大)、苏州大学等机构的通力合作下实施的核心器件研发项目只用了短短几年(2007—2010年)就取得了突破性进展,包括了光栅制作涉及理论计算(清华大学为主),大口径涂膜和曝光工艺(苏州大学为主),光栅基板(上海光机所为主)和最终的离子刻蚀和清洗(中科大为主)


“这种优势互补的合作非常可贵且重要。关键是要有人,要有点石成金的战略思维和组合能力。力量分散做不成大事。另外,如果能从国外购买,我们的研发能力也无从建立起来。从这个意义上讲,禁运催生、促进了我们内生的创新动力和能力。那时的人都憋着一股劲,就想做这件事。而且一旦我们痛下决心干,我们中国人一定能做好。”


中国同行工作获诺奖得主引用


话题回到高能皮秒拍瓦激光系统的进展中来。朱健强介绍,

团队的科学家利用这一装置上取得了一系列原创成果:



信噪比达到能开展实质性工作的水平;


中子产率获得率达到国际最高水平;


快点火研究也取得了突破性进展:激光聚变研究团队在上海光机所神光Ⅱ升级SGⅡU上创新性地采用间接驱动打靶方式对靶丸进行预压缩,克服了传统快点火用激光直接烧蚀靶丸的诸多缺陷,获得的内爆中子产额增加了280倍,达到同等能量条件下的最高水平,显著地提升了快点火的能量耦合效率,即在纳秒时间尺度内实现了高温点火。这个过程原来的方式相当于柴油发动机,在压缩汽化燃料的同时实现升温至自燃,现在快点火相当于汽油机,其中的皮秒拍瓦相当于火花塞。快点火把高温高密度两者互逆的难题给解耦了。


莫罗本人和诺贝尔基金会网站在刊登的2018年诺贝尔物理学奖成果介绍中都引用了中国同行的工作,朱健强认为这也代表了国际顶尖科学家对中国同行工作的激赏和认可。


而光学领域在21世纪的18年里6次获得诺奖也使得飞秒、皮秒激光加速走向工业、临床医疗等方面的应用。


激光科技造福民生前景无限


话题进入技术应用,这也是我们科普化解读一定希望涉及的。事实上如今的医疗、美容领域,激光医疗、皮秒美容都很火,网上信息铺天盖地。为此我也请教眼前这位光学领域大专家如何看待激光皮秒技术应用于医学美容领域。

身兼中国电子学会激光专委会副主任委员的朱健强接过我的问题回应说,2020年是激光技术发明60周年,激光在半个多世纪里从科学概念发展到今天渗透到科学、工业、医疗等几乎所有领域,可以说我们每个人的生活都已经与激光及其应用难分难舍:

“具体而言,质子束治疗早已成为癌症治疗的一个有效手段,但目前用的质子源大都来自质子加速器,成本很高,做一次要几十万的费用。如今激光加速质子源已成为重要的医疗质子源。国内外都启动了相关的研究计划,以使相关的治疗成本降到千元以内。不少风投都关注并进入到这一领域,相信不出几年就有望进入常规的肿瘤放射性治疗中。


目前医疗应用中最有效的是激光外科,如治疗近视,无论老花、近视用飞秒激光做视力矫正,都有望取代眼镜。这在国外已经很实用了。原先的激光治疗就是短脉冲把近视变成视力正常,现在发展到不仅可矫正视力,而且能解决眼睛老花,其原理是把成像范围拓宽了。


美容领域的润肤亮肤、黑色素祛除、文身去除等早就用了激光技术。


还有文物修复领域从原来的化学清除现在可以做到无损清除。激光能有效去除文物表面的污渍,帮助恢复到物品的原始状态。”


努力实现几代物理学家的聚变能源梦


采访临近尾声。采访提纲中最后一个问题使得话题再次回到高能皮秒拍瓦激光系统,即随着高能皮秒拍瓦激光系统物理目标的实现可以带动的工作很多,接下来朱健强和他的团队最想做的是什么。


可能这个问题正对上朱健强近期工作的兴奋点,所以马上引出他以下的介绍:正是我们前期的这些工作催生了中国科学院的一项先导A类计划。


所谓先导A类计划是中国科学院前些年开始推出的通过对遴选的若干重大项目给予重点支持,使得我国在该领域走向世界前沿。这一先导计划的主要思想源于张杰院士1997年提出的科学构想,但一直无法通过实验来验证。


2017年在科学院的一个场合下,两位科学家不期而遇聊到希望用一种简单有效的解决方案来实现点火途径,最终使聚变能源得以实现这个话题。共同的学术兴趣和追求,特别是高能皮秒拍瓦激光系统和“神光Ⅱ升级装置”已具备的能量,立即点燃双方的激情,决意共同推进快点火研究。

2020年4月25日,先导物理实验团队在实验现场合影,中间为张杰院士

在中科院先导计划支持下的这一中国快点火方案2019年提出后立即得到国际同行的高度关注,并很快与国际同行签订了一项以我国为主的“高能量密度物理”的大科学计划,参加者有英、美、日、法、捷克等国家:


“这个国际大科学计划的平台在我们光机所,其愿景是实现点火目标及实现途径,为聚变能源实现做铺垫。这也是几代物理学家的夙愿。”


从1991年进入上海光机所师从陈绍和、邓锡铭老师进入高能皮秒拍瓦激光系统研发领域到2019年5月摘取上海科技进步一等奖桂冠,从1993年研制出高能激光系统样机到20年后主持研制出我国首个快点火实验装置——高能皮秒拍瓦激光系统……朱健强是我国激光技术不断发展的见证人和引领者。我们也期待进入皮秒、拍瓦时代的中国激光科技能书写更恢宏的篇章。


“世界科学”联合“赛先生”等微信公号,在上海市科学技术委员会资助下,开辟“走近科学”栏目,对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。

本篇围绕2018年上海市科技进步一等奖——“高能皮秒拍瓦激光系统”项目,该奖项由中科院上海光学精密机械研究所朱健强领衔的团队获得。

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