世界最强光从浦东发出：上海超强超短激光实验装置的追光之旅
澎湃新闻2021-08-11 07:20
“成功来自努力、智慧创造奇迹、激光在我手上、家国在我心中”，位于浦东张江的上海超强超短激光实验装置大厅内，四列红色大字赫然在目，紧挨着目前全球最高激光峰值功率纪录的保持者——世界首台10拍瓦超强超短激光实验装置（SULF）。
超强超短激光被认为是人类已知的最亮光源，能在实验室里创造出之前只有在核爆中心、恒星内部、黑洞边缘才能找到的极端物理条件。10拍瓦（即1亿亿瓦）激光系统为人们提供了前所未有的超高能量密度、超强电磁场和超快时间尺度等综合性极端物理条件。但这不是终点，距此不远处，比它还强十倍的100拍瓦激光装置正在建设中。
包括超强超短激光装置在内，全球规模最大、种类最全、综合能力最强的光子大科学设施群在张江逐渐成形，探索开辟科学最前沿。“在科学性能上，超强超短激光装置与上海光源、软X射线自由电子装置和蛋白质大科学装置等能够相互补充。也就是说，在浦东小小几平方公里土地上，集中了一系列世界领先水平的大科学装置，特别是光子大科学装置。它们有不同的性能和特点，能够为科学家提供不同需求的综合性物理实验条件。”中国科学院上海光学精密机械研究所副所长冷雨欣在近日采访中对澎湃新闻（www.thepaper.cn）说道，立足于浦东张江地区的光子大科学设施群，结合不同装置的优势特色，中国科研团队有望在基础物理、物质科学、生命科学、国防安全及工业相关领域取得创新性成果。
2018年的诺贝尔物理学奖授予美国科学家阿瑟·阿什金、法国科学家热拉尔·穆鲁以及加拿大科学家唐娜·斯特里克兰，以表彰他们在激光物理学领域的突破性贡献。其中，斯特里克兰及其导师穆鲁开创的啁啾脉冲放大技术，已普遍被应用于超强超短脉冲激光系统中。国际上，欧盟、英、法、俄、美、德等均提出各自的超强超短激光装置计划，是全球科技竞争重大前沿领域之一。在古希腊神话中，太阳神阿波罗司掌光明，法国的拍瓦激光装置被命名为“阿波罗”。项目负责人、中国科学院院士李儒新为上海超强超短激光实验装置取了一个更富诗意的名字：羲和激光装置。羲和是《山海经·大荒南经》中记载的太阳之母，诞下10个太阳，故以此命名10个拍瓦的激光装置。
10拍瓦超强超短激光，顾名思义，第一大特点是超强，光强高达每平方厘米10的22次方瓦。脉冲压缩后宽度达到飞秒量级，相当于将10个太阳辐射到地球的总功率汇聚到一根头发丝这样的尺度。
这种瞬间爆发力能起到什么作用呢？它为推进多领域应用科学及理论研究的发展创造了新的条件，可用于制造台式化电子加速器和产生超快X射线源，对蛋白质原子运动探测成像，研制激光质子刀以治疗癌症、以及产生反物质、研究天体物理和宇宙起源，将来还可能用于真空结构和暗物质探测等。
据介绍，羲和激光装置的项目法人单位为中国科学院上海光学精密机械研究所，共建单位为上海科技大学，于2020年12月28日通过项目验收。项目建设内容主要包括：一台10拍瓦（1拍瓦=1千万亿瓦）超强超短激光系统，同时具备高重复频率的1拍瓦级激光输出束线；极端条件材料科学研究平台、超快亚原子物理研究平台、超快化学与大分子动力学研究平台等3个用户实验终端；科研辅助设施和数据中心；一幢装置实验大楼。装置定位面向国内外高校、科研机构和企业开放，并提供先进的物质科学与生命科学研究手段。
冷雨欣表示，2016年，在上海市和浦东新区等的支持下，羲和激光装置实现了“当年立项、当年开工”的“上海速度”。
项目建设期间，2017年10月24日，该装置实现10.3拍瓦激光放大输出，在国际上首次实现300焦耳以上能量水平的宽带激光放大输出，脉冲压缩后宽度21飞秒。2019年12月7日，装置获得激光中心波长为800纳米，输出能量404焦耳，重复频率3分钟/发次（较设计指标提升40倍），压缩后脉冲宽度达24.6fs，平均峰值功率11.7拍瓦（最高峰值功率12.9拍瓦）的结果，再次打破世界纪录。实验平台在测试阶段，已在拓扑态贡献的高次谐波产生研究、阿秒电子动力学研究等方面取得重要进展。同时，依托该项目，上海光机所成功研制国际最大口径钛宝石晶体等核心器件。
项目取得的成果，被《科学》（Science）杂志文章列举为国际上自1960年第一台激光器发明以来在激光脉冲功率提升方面的取得第五大里程碑式进展；入选“十八大”以来中国科学院“20项标志性重大成果”；入选中国科学院“率先行动”计划第一阶段重大科技成果及标志性进展。
澎湃新闻了解到，2021年，上海超强超短激光实验装置已初步开放，并供国内相关课题组完成物理实验；质子加速、电子加速等实验正在进行中。
同时，上海光机所的科研团队正朝着100拍瓦激光装置的目标发起挑战。《科学》杂志对此评价称，“这会是一个全新的物理学”，“中国团队正切实引领通往100拍瓦激光的道路”。
近日正式发布的《中共中央 国务院关于支持浦东新区高水平改革开放打造社会主义现代化建设引领区的意见》赋予浦东新区改革开放新的重大任务。自主创新发展的时代标杆，是《意见》对浦东提出的战略定位之一。浦东新区科技和经济委员会主任徐欣就此接受澎湃新闻等媒体采访时表示，当好科技创新的国家队是浦东义不容辞的使命责任。在落实引领区意见的过程中，浦东将进一步夯实基础研究的厚度。“目前浦东建成和在建的大科学设施总共有10个，这些大科学设施是开展基础研究的重要载体平台。浦东将依托国家重大科技基础设施等载体，打造以国家战略科技力量为主导的引领性科技创新组团，前瞻布局科技创新方向，聚力突破核心领域，推动信息技术、物质科学、空间技术、生命科学、环境科学研究，努力产出一批世界级科学新发现。”他说道。
黑洞里面究竟是什么样的情况？宇宙线是怎么来的？最强的光能多强？反物质都去哪儿了？瞄准一系列前瞻性、关键科学技术问题，超强超短激光实验装置将给出更多答案。
冷雨欣认为，引领区意见对于开展前沿科研而言帮助很大：首先是科研体制机制上有望带来新的突破，有助于国际优秀人才的引进和落地。同时，也有助于打破行政壁垒，使得科研人员能够更加便利地在浦东第一线开展前沿科研活动。在前沿研究方面，上海超强超短激光实验装置将进一步融入浦东大科学集群中，适时向全球科学界、企业界开放。
他表示，希望基于上海超强超短激光实验装置等大科学装置，吸引外国科学家来中国开展前沿实验工作，推动大科学装置和基础研究学科等的发展。同时，也希望企业利用该装置开展前沿的物质科学、生命科学等方面研究，带动企业科研发展。“我们也热切期待企业从各个角度，特别是国民经济主战场的角度提出需求，牵引大科学装置和基础研究学科的创新发展，从而切实为国家重大需求和国民经济主战场提供中国解决方案。”
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