【觀察者網(wǎng)綜合報(bào)道】10月24日晚，中科院上海光機(jī)所和上?？萍即髮W(xué)超強(qiáng)激光光源聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室傳出喜訊：上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（SULF）的研制工作取得重大突破，成功實(shí)現(xiàn)了10拍瓦激光放大輸出，這是目前已知的世界最高激光脈沖峰值功率，達(dá)到國際同類研究的領(lǐng)先水平。
這是SULF裝置2016年8月實(shí)現(xiàn)5拍瓦國際領(lǐng)先成果之后再次取得重大進(jìn)展。SULF裝置計(jì)劃于2018年底全面建成，2019年對用戶開放。
超強(qiáng)超短激光的科技前沿應(yīng)用極為廣泛，故國際上多個(gè)國家投入巨資開展10拍瓦級(jí)大型超強(qiáng)超短激光裝置的研制，展開激烈的科研競爭。
上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置
超強(qiáng)超短激光，一般是指峰值功率大于1太瓦（1太瓦=1萬億瓦），脈沖寬度小于100飛秒（1飛秒等于1千萬億分之一秒）的激光。此次成功實(shí)現(xiàn)的10拍瓦激光放大輸出，則等于1億億瓦，相當(dāng)于全球電網(wǎng)平均功率的5000倍。100飛秒是怎樣的瞬間呢？100飛秒相當(dāng)于十萬億分之一秒，即使每秒飛行30萬千米的光，在這么超短的時(shí)間內(nèi)也只能走一根頭發(fā)絲粗細(xì)的距離。此次激光脈沖寬度經(jīng)過脈沖壓縮器壓縮后僅僅為21飛秒。
去年3月，我國科學(xué)家首次利用超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生反物質(zhì)。這還只是超強(qiáng)超短激光應(yīng)用的冰山一角。超強(qiáng)超短激光能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造出前所未有的超強(qiáng)電磁場、超高能量密度和超快時(shí)間尺度等綜合性極端物理?xiàng)l件，這是之前只有在核爆中心、恒星內(nèi)部、黑洞邊緣才能找到的極端物理?xiàng)l件，可用于研制激光質(zhì)子刀以治療癌癥；制造臺(tái)式化電子加速器和產(chǎn)生超快X射線源對蛋白質(zhì)探測成像；研究天體物理和宇宙起源，將來還可能用于真空結(jié)構(gòu)和暗物質(zhì)的探測等。
超強(qiáng)超短激光研究推動(dòng)著激光科學(xué)、原子分子物理、等離子體物理、高能物理與核物理等一批基礎(chǔ)與前沿交叉學(xué)科的開拓和發(fā)展。
同時(shí)這也將為相關(guān)戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，如高亮度新波段相干光源，超高梯度高能粒子加速器、強(qiáng)場激光核醫(yī)學(xué)、聚變能源、精密測量等提供原理依據(jù)與科學(xué)基礎(chǔ)，對其有著不可替代的強(qiáng)大推動(dòng)作用。
相關(guān)報(bào)道截圖
一場國際競賽
正是因?yàn)槌瑥?qiáng)超短激光在臺(tái)式化加速器、超快化學(xué)、阿秒科學(xué)、材料科學(xué)、激光聚變、核物理與核醫(yī)學(xué)、實(shí)驗(yàn)室天體物理等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值，國際上多個(gè)國家投入巨資開展10拍瓦級(jí)大型超強(qiáng)超短激光裝置的研制，展開激烈的科研競爭。
歐盟10多個(gè)國家的近40個(gè)研究院所和科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出Extreme Light Infrastructure（ELI），2012年以來，ELI計(jì)劃陸續(xù)啟動(dòng)了3個(gè)子項(xiàng)目的研究，投入經(jīng)費(fèi)8.5億歐元，計(jì)劃于2017年研制數(shù)臺(tái)10拍瓦超強(qiáng)超短激光并建成用戶裝置，同時(shí)為下一步研制200拍瓦級(jí)超強(qiáng)激光大科學(xué)裝置打下基礎(chǔ)，ELI下設(shè)四大研究裝置，分別為捷克布拉格束線裝置（ELI-Beamlines Facility），匈牙利賽格德阿秒裝置（ELI-Attosecond Facility），羅馬尼亞默古雷萊的核物理裝置（ELI-Nuclear Physics Facility），以及尚未定址的超強(qiáng)場裝置（ELI-Ultrra High Field Facility）。
捷克首都布拉格的ELI-Beamlines Facility
然而，今年3月有報(bào)道稱，由于ELI分散的結(jié)構(gòu)以及經(jīng)費(fèi)問題，200拍瓦級(jí)的“巨星”裝置研發(fā)已經(jīng)擱淺。負(fù)責(zé)當(dāng)時(shí)選址的專家主席、意大利米蘭理工大學(xué)的Sandro De Silvestri表示，沒有哪個(gè)國家能夠承擔(dān)6億歐元的建設(shè)費(fèi)用。
在2016年11月的ELI顧問委員會(huì)上，委員們建議，在3臺(tái)10拍瓦級(jí)的激光裝置完成并正常運(yùn)轉(zhuǎn)前，不再考慮“巨星”的選址問題。而這一拖很可能就要等到2022年。布加勒斯特的ELI監(jiān)督和發(fā)展委員會(huì)的副總干事Catalin Miron表示認(rèn)可這一決議：“這將會(huì)促使ELI聯(lián)盟更加專注于我們現(xiàn)階段的任務(wù)。”
巴黎綜合理工大學(xué)的物理學(xué)家、中科院愛因斯坦講席教授杰哈·莫羅（Gérard Mourou）認(rèn)為暫停200PW激光器的提議是錯(cuò)誤的，他認(rèn)為，這種超高能量密度的激光將會(huì)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域帶來開創(chuàng)性的突破。在這種能量強(qiáng)度下質(zhì)子將會(huì)接近甚至達(dá)到光速，“破壞”真空，從而能夠利用它研究量子力學(xué)揭示的真空中各種虛粒子。雖然Mourou理解完成其他三個(gè)激光裝置的需求，但是他認(rèn)為推遲發(fā)展更先進(jìn)的高功率激光技術(shù)將會(huì)把這個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位拱手相讓給其他國家。他說：“這正是我所擔(dān)心的?！?/p>
當(dāng)時(shí)，莫羅教授還指出了其他國家的進(jìn)步，他說，2016年8月，中國上海的一個(gè)裝置打破了5.3PW的最高激光脈沖峰值功率記錄，他們也計(jì)劃2019年完成10PW的激光裝置建設(shè)，另外100PW的激光裝置也在籌劃當(dāng)中。日本、俄羅斯、美國等國也在進(jìn)行超高功率裝置的研制。美國科學(xué)家計(jì)劃升級(jí)其位于紐約羅切斯特大學(xué)的OMEGA EP激光器，使其功率達(dá)到75PW。
2011年，莫羅教授應(yīng)邀訪問上海光機(jī)所
參與設(shè)計(jì)HAPLS裝置的勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Constantin Haefner聲稱：“這就是一場競賽?！?/p>
現(xiàn)在ELI聯(lián)盟需要將分散于三個(gè)國家的建設(shè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)變成一個(gè)獨(dú)立完整的面向國際用戶的大科學(xué)裝置，進(jìn)而從其他國家吸納基金支持用于補(bǔ)充其約8千萬歐元的年運(yùn)行經(jīng)費(fèi)。ELI顧問委員會(huì)主席De Silvestri說道：“整合并啟用現(xiàn)有的三個(gè)裝置當(dāng)前更為緊要，我們并沒有忘記200PW的第四個(gè)裝置，只是我們需要一步一步地來?！?/p>
一些估算表明，歐洲的200PW激光器項(xiàng)目將會(huì)耗資約10億歐元。但是Mourou正在進(jìn)行一項(xiàng)技術(shù)研究，通過縮短激光脈沖將10PW激光器改造成100PW激光器，他表示自己這項(xiàng)研究僅需花費(fèi)3千萬歐元。他說：“我們之前認(rèn)為這第四套裝置將會(huì)造價(jià)高昂，但是如果我們足夠聰明，我們能夠用少得多的經(jīng)費(fèi)完成目標(biāo)。”
關(guān)于超強(qiáng)超短激光的具體應(yīng)用，有以下幾個(gè)例子：
研究反物質(zhì)
每一種粒子都有一個(gè)與之相對的反粒子。
理論認(rèn)為，反物質(zhì)只要和正物質(zhì)相遇就會(huì)湮滅。因此難以產(chǎn)生和保存，目前科學(xué)家很難在宇宙中找到反物質(zhì)，轉(zhuǎn)而在實(shí)驗(yàn)室的極端條件下嘗試獲取，這也成為物理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
2016年，中科院上海光機(jī)所在國內(nèi)首次成功利用超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生一種反物質(zhì)——超快正電子源，這一發(fā)現(xiàn)未來將在材料的無損探測、激光驅(qū)動(dòng)正負(fù)電子對撞機(jī)、癌癥診斷技術(shù)研發(fā)等領(lǐng)域得到重大應(yīng)用，并入選兩院院士評選的2016年度“中國十大科技進(jìn)展新聞”。
微型自由電子激光器
超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)的小型化自由電子激光新概念：
超強(qiáng)超短激光與一根“頭發(fā)絲”尺寸的微金屬絲相互作用，在產(chǎn)生高能電子束的同時(shí)，巧妙地利用電荷分離效應(yīng)構(gòu)建了微型、瞬態(tài)的電子波蕩器，獲得了效率優(yōu)于傳統(tǒng)方案10倍以上的強(qiáng)太赫茲輻射，也為小型化、低成本自由電子激光器提出全新方案。
尾波場電子加速研究
中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2011年7月15日首次利用電離注入的全光驅(qū)動(dòng)雙尾波場級(jí)聯(lián)電子加速器方案，成功實(shí)現(xiàn)了電子注入與電子加速的兩個(gè)基本物理過程的分離與控制。
該實(shí)驗(yàn)獲得了能量近GeV的準(zhǔn)單能電子束和 187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果。
這將是未來實(shí)現(xiàn)高性能10 GeV量級(jí)甚至更高能的單能電子束的可行方案，特別是對臺(tái)式化X射線自由電子激光等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的推動(dòng)意義。
尾波場電子加速實(shí)驗(yàn)裝置
質(zhì)子成像
質(zhì)子照相作為一種密度診斷手段，可利用微分截止和散射來顯示樣本靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的密度變化，是目前探測等離子體中電磁場的唯一方法。
在過去的幾年中，質(zhì)子照相技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)中成功探測到瞬時(shí)場的數(shù)據(jù)。
中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室升級(jí)的拍瓦激光系統(tǒng)已經(jīng)可以成功產(chǎn)生10MeV以上的質(zhì)子束，成功利用飛秒拍瓦激光系統(tǒng)對蜻蜓進(jìn)行了質(zhì)子成像。
這也是拍瓦激光系統(tǒng)第一次通過縮小物距實(shí)現(xiàn)了蜻蜓的清晰成像。獲得了蜻蜓的等比例整體成像，同時(shí)分辨率達(dá)到微米量級(jí)。
質(zhì)子成像實(shí)驗(yàn)，（a）蜻蜓樣本，（b）PW激光，（c）第一層（d）第二層RCF上蜻蜓成像
成像結(jié)果，蜻蜓（a）腳部、（b）尾巴、（c）頭部和（d）翅膀的細(xì)微成像，（e）尾巴放大
尋找暗物質(zhì)
“暗物質(zhì)”被比作“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)天空中的烏云”。它由萬有引力定律證實(shí)存在，卻從未被直接探測到。科學(xué)家估算，宇宙中包含5%的普通物質(zhì)，其余95%是看不見的暗物質(zhì)和暗能量。揭開暗物質(zhì)之謎將推動(dòng)人類解釋宇宙的存在和演化。
軸子，是暗物質(zhì)的重要候選者之一。由于它幾乎不和其他物質(zhì)相互作用，至今沒有被觀測到。但超強(qiáng)激光提供的超強(qiáng)電磁場有可能成為探測軸子的科學(xué)手段。
探究真空奧秘
真空，真的空無一物嗎？
在經(jīng)典物理概念中，它確實(shí)是空的，但量子電動(dòng)力學(xué)（QED）預(yù)言，真空不空，量子漲落無處不在，虛粒子對不斷產(chǎn)生、消失。
真空的神秘特性是QED最令人激動(dòng)的預(yù)言，未來的激光強(qiáng)度將高達(dá)10^23-25瓦/平方厘米，超強(qiáng)的光場可以激發(fā)真空的QED特性，使真空具備物質(zhì)屬性！
超強(qiáng)超短激光與高能光子源結(jié)合，將使人類第一次擁有窺視真空奧秘的機(jī)會(huì)，其中任何一個(gè)發(fā)現(xiàn)，都將是歷史性的。
激光引雷研究
利用超強(qiáng)超短激光開展雷電控制應(yīng)用研究受到世界上許多國家的高度重視，中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國內(nèi)最早開展相關(guān)研究為數(shù)不多的幾家單位之一。
該實(shí)驗(yàn)室的研究人員基于以前的研究基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)上首次觀察到了激光誘導(dǎo)電暈放電現(xiàn)象并對這一發(fā)現(xiàn)展開了深入的研究。
這一成果為深入理解高壓電場沿著光絲的發(fā)展和演化過程以至于最終實(shí)現(xiàn)激光控制雷電提供了重要的科學(xué)依據(jù)。
（a）高壓電場空氣擊穿放電，（b）激光誘導(dǎo)高壓電場空氣擊穿放電，（c）激光誘導(dǎo)高壓電場電暈放電，（d）激光引雷概念
高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室拍瓦激光研究歷程：
據(jù)高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室謝興龍研究員回顧，實(shí)驗(yàn)室高功率超短脈沖激光的研究，最早要追溯到1996年，當(dāng)時(shí)世界上第一臺(tái)拍瓦(美國LLNL實(shí)驗(yàn)室利用NOVA的一路，采用CPA技術(shù)獲得了1.24PW的輸出)激光報(bào)道之后，實(shí)驗(yàn)室在林尊琪院士的指導(dǎo)下，通過國家863高技術(shù)的支持，依托聯(lián)合室的兩路釹玻璃激光系統(tǒng)，于2000年實(shí)現(xiàn)了20TW(1ps、20J)的輸出，后來為了配合物理實(shí)驗(yàn)，又增加了一束20J、1.0ns的長脈沖與短脈沖同步運(yùn)行，這是中國第一臺(tái)皮秒級(jí)別的高功率超短脈沖激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)從2003年正式運(yùn)行到2008年總共開展了十幾輪物理實(shí)驗(yàn)，其中超短脈沖轟擊中子靶實(shí)驗(yàn)，獲得了2.4×104的中子產(chǎn)額，這是國內(nèi)第一次該類物理試驗(yàn)，與國際同期水平相當(dāng)。
中國目前最具代表性和里程碑式的高功率超短脈沖激光系統(tǒng)，是高功率激光物理實(shí)驗(yàn)室于2013年完成的皮秒拍瓦超短脈沖激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前是國內(nèi)唯一可以提供給物理實(shí)驗(yàn)的拍瓦級(jí)超短脈沖激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)的概念最早在1998年提出，依托高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室剛剛投入運(yùn)行的第九路激光，采用CPA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)1kJ、1ps的輸出，并開展ICF快點(diǎn)火的前期研究。系統(tǒng)2008年開始建造，由中國工程院、中國科學(xué)院和863高技術(shù)三家共同支持，2013年實(shí)現(xiàn)380J、5ps輸出，2015年實(shí)現(xiàn)1kJ、1ps的拍瓦輸出，目前已經(jīng)成功并入神光II以及神光II升級(jí)裝置的常規(guī)運(yùn)行中，每年為物理實(shí)驗(yàn)提供幾百發(fā)的打靶輸出。
2009-2014年間，在國家863高技術(shù)計(jì)劃的支持下，高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開始了800nm波段的高功率超短脈沖激光系統(tǒng)研究技術(shù)預(yù)研，從2013年開始，高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室依托神光II的納秒系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了工作波長800nm、輸出指標(biāo)150J/30fs的激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過三級(jí)OPCPA放大單元，最終為物理實(shí)驗(yàn)提供5PW的到靶脈沖能量。該系統(tǒng)2016年完成OPCPA_II放大級(jí)的建造和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了大于1PW的超短脈沖輸出，并完成了第一輪的質(zhì)子加速物理實(shí)驗(yàn)，下一步的計(jì)劃是一邊優(yōu)化激光輸出，在提供物理實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，完成OPCPA_III放大級(jí)的建造和調(diào)試。在800nm波段，該系統(tǒng)目前是國內(nèi)唯一一臺(tái)可以提供到靶輸出的的超短脈沖激光系統(tǒng)。
我國高功率激光物理聯(lián)合室在高功率激光和超短脈沖技術(shù)方面的積累，所掌握的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了世界的先進(jìn)水平。
超強(qiáng)超短激光光源的建立與發(fā)展，及其廣泛的前沿應(yīng)用具有重要意義。通過在極端物理?xiàng)l件下對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和相互作用進(jìn)行研究可以使得人類對客觀世界規(guī)律的認(rèn)識(shí)更加深入和系統(tǒng)。
可見，超強(qiáng)超短激光光源的建立與發(fā)展，及其廣泛的前沿應(yīng)用具有重要意義。為保持我國在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，引領(lǐng)相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們正在積極努力、不斷前行。
謝興龍先生感嘆，回首30年，先輩的努力吾輩的財(cái)富，當(dāng)繼承和勇往直前。
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