書寫皮秒拍瓦時代激光科技新篇章︱走近科學(xué)
本欄目由“世界科學(xué)”和“賽先生”聯(lián)合出品
朱健強(qiáng)研究員（右）
朱健強(qiáng)研究員領(lǐng)銜完成的“高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)”項目摘得2018年度上海科技進(jìn)步一等獎，對這一足以顯示國之重器價值的重大科學(xué)工程項目，媒體做了很多報道，這些報道也勾起了我18年前對朱健強(qiáng)做啟明星采訪的美好回憶。
當(dāng)時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（以下簡稱上海光機(jī)所）常務(wù)副所長。記得采訪時更多是從作為掌門人的他如何根據(jù)中科院知識創(chuàng)新工程的總體要求,制定光機(jī)所未來5年的發(fā)展戰(zhàn)略及相應(yīng)的人才戰(zhàn)略，帶領(lǐng)這個有彪炳業(yè)績的研究大所邁向新的輝煌。而對于他本人的科研工作及亮點未多著筆墨。
所以，當(dāng)上海市科委的重大科研工作科普化項目邀我對朱健強(qiáng)等完成的這一成果作科普化解讀時，我欣然答應(yīng)，因為這使我有機(jī)會再度和朱老師見面，聽他介紹這項工作的來龍去脈及近些年來的新進(jìn)展，彌補(bǔ)2002年那次啟明星訪問的缺憾。
什么是皮秒拍瓦激光系統(tǒng)？
從概念到樣機(jī)，躋身國際競爭
朱健強(qiáng)說，縱觀由光柵對壓縮脈沖的技術(shù)演進(jìn)到最終導(dǎo)致激光系統(tǒng)問世可以清晰看出，一個系統(tǒng)從概念提出到制備上可實現(xiàn)到最后可用、好用要克服許多技術(shù)障礙，其中尤為重要的是關(guān)鍵元器件的研發(fā)制備：
“每項技術(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，克服一個個障礙才能真正帶來革命性的改變”。
回過頭來看，圍繞高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)建設(shè)的這場國際科技競賽中，中國科學(xué)家不但沒有缺席，而且在若干重要方向和領(lǐng)域做到了國際前沿水平。
隨著朱健強(qiáng)的回溯，我們可以大致梳理出中國科學(xué)家在這一國際科技競賽中的作為：上海光機(jī)所是從20世紀(jì)90年代初就有這樣的想法并開始進(jìn)入這個領(lǐng)域，從演示系統(tǒng)一直做到系統(tǒng)方案完成。
當(dāng)年（1991年），朱健強(qiáng)剛到光機(jī)所攻讀博士，他的兩位導(dǎo)師之一的陳紹和研究員（另一位導(dǎo)師是鄧錫銘院士）那時就提出激光放大技術(shù)的想法，這比LLNL的人都早。朱健強(qiáng)至今記得陳老師當(dāng)時興沖沖來提他的想法的興奮神情：
“陳老師提出的這個科學(xué)構(gòu)想后就作為我的博士課題來做實驗。我在看文獻(xiàn)時知道莫羅早在80年代就提出用光纖去產(chǎn)生寬帶脈沖的啁啾方案，但實驗過程中產(chǎn)生的很多非線性高階效應(yīng)，導(dǎo)致脈沖壓縮后信噪比很差而無法實用。”
為解決光纖中非線性過程所產(chǎn)生的信噪比退化難題，朱健強(qiáng)嘗試用負(fù)反饋產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)鎖模的皮秒脈沖，開展展寬、放大和壓縮實驗，走通了基本原理的判斷。后來隨著激光技術(shù)發(fā)展，寬帶脈沖種子源也得以解決，這樣就進(jìn)入到實驗和工程階段。上海光機(jī)所也因此成為當(dāng)時領(lǐng)域內(nèi)國際同行關(guān)注的一個有實力的研究團(tuán)隊。
2020年1月14日訪問美國羅徹斯特大學(xué)激光力學(xué)能實驗室
在“快點火”研究中占一席之地
國內(nèi)疫情狀況
回顧整個項目近30年的實施推進(jìn)過程，朱健強(qiáng)感受最深的是其中的核心器件——大尺寸（米級）光柵器件的自主研制，這種脈沖展寬壓縮過程中必不可少的核心器件美國對我們是禁運(yùn)的，所以只能靠自己研發(fā)。
在國家863計劃部署支持下，這個由上海光機(jī)所牽頭，在清華大學(xué)、中國科技大學(xué)（簡稱中科大）、蘇州大學(xué)等機(jī)構(gòu)的通力合作下實施的核心器件研發(fā)項目只用了短短幾年（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)勢互補(bǔ)的合作非?？少F且重要。關(guān)鍵是要有人，要有點石成金的戰(zhàn)略思維和組合能力。力量分散做不成大事。另外，如果能從國外購買，我們的研發(fā)能力也無從建立起來。從這個意義上講，禁運(yùn)催生、促進(jìn)了我們內(nèi)生的創(chuàng)新動力和能力。那時的人都憋著一股勁，就想做這件事。而且一旦我們痛下決心干，我們中國人一定能做好?！?/p>
中國同行工作獲諾獎得主引用
話題回到高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)的進(jìn)展中來。朱健強(qiáng)介紹，
信噪比達(dá)到能開展實質(zhì)性工作的水平；
中子產(chǎn)率獲得率達(dá)到國際最高水平；
快點火研究也取得了突破性進(jìn)展：激光聚變研究團(tuán)隊在上海光機(jī)所神光Ⅱ升級SGⅡU上創(chuàng)新性地采用間接驅(qū)動打靶方式對靶丸進(jìn)行預(yù)壓縮，克服了傳統(tǒng)快點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，顯著地提升了快點火的能量耦合效率，即在納秒時間尺度內(nèi)實現(xiàn)了高溫點火。這個過程原來的方式相當(dāng)于柴油發(fā)動機(jī)，在壓縮汽化燃料的同時實現(xiàn)升溫至自燃，現(xiàn)在快點火相當(dāng)于汽油機(jī)，其中的皮秒拍瓦相當(dāng)于火花塞。快點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網(wǎng)站在刊登的2018年諾貝爾物理學(xué)獎成果介紹中都引用了中國同行的工作，朱健強(qiáng)認(rèn)為這也代表了國際頂尖科學(xué)家對中國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限
目前醫(yī)療應(yīng)用中最有效的是激光外科，如治療近視，無論老花、近視用飛秒激光做視力矯正，都有望取代眼鏡。這在國外已經(jīng)很實用了。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)域從原來的化學(xué)清除現(xiàn)在可以做到無損清除。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)。”
努力實現(xiàn)幾代物理學(xué)家的聚變能源夢
采訪臨近尾聲。采訪提綱中最后一個問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)的實現(xiàn)可以帶動的工作很多，接下來朱健強(qiáng)和他的團(tuán)隊最想做的是什么。
可能這個問題正對上朱健強(qiáng)近期工作的興奮點，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科學(xué)院的一項先導(dǎo)A類計劃。
所謂先導(dǎo)A類計劃是中國科學(xué)院前些年開始推出的通過對遴選的若干重大項目給予重點支持，使得我國在該領(lǐng)域走向世界前沿。這一先導(dǎo)計劃的主要思想源于張杰院士1997年提出的科學(xué)構(gòu)想，但一直無法通過實驗來驗證。
2017年在科學(xué)院的一個場合下，兩位科學(xué)家不期而遇聊到希望用一種簡單有效的解決方案來實現(xiàn)點火途徑，最終使聚變能源得以實現(xiàn)這個話題。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升級裝置”已具備的能量，立即點燃雙方的激情，決意共同推進(jìn)快點火研究。
2020年4月25日，先導(dǎo)物理實驗團(tuán)隊在實驗現(xiàn)場合影，中間為張杰院士
在中科院先導(dǎo)計劃支持下的這一中國快點火方案2019年提出后立即得到國際同行的高度關(guān)注，并很快與國際同行簽訂了一項以我國為主的“高能量密度物理”的大科學(xué)計劃，參加者有英、美、日、法、捷克等國家：
“這個國際大科學(xué)計劃的平臺在我們光機(jī)所，其愿景是實現(xiàn)點火目標(biāo)及實現(xiàn)途徑，為聚變能源實現(xiàn)做鋪墊。這也是幾代物理學(xué)家的夙愿?！?/span>
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首個快點火實驗裝置——高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)……朱健強(qiáng)是我國激光技術(shù)不斷發(fā)展的見證人和引領(lǐng)者。我們也期待進(jìn)入皮秒、拍瓦時代的中國激光科技能書寫更恢宏的篇章。
“世界科學(xué)”聯(lián)合“賽先生”等微信公號，在上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助下，開辟“走近科學(xué)”欄目，對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進(jìn)行科普化報道。
本篇圍繞2018年上海市科技進(jìn)步一等獎——“高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)”項目，該獎項由中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所朱健強(qiáng)領(lǐng)銜的團(tuán)隊獲得。
