?？坡?00號，兩間不到800平方米的實(shí)驗(yàn)室，擺放著五顏六色的晶體、長長的真空管等裝置，看上去沒有什么特別之處。就是在這里，中科院上海光機(jī)所—上海科技大學(xué)超強(qiáng)激光光源聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，日前成功實(shí)現(xiàn)了5拍瓦激光脈沖輸出。這是目前已知的世界最高激光脈沖峰值功率，有望明年年底成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)10拍瓦激光輸出的裝置。

　　超強(qiáng)超短是什么概念？1拍瓦等于1千萬億瓦，相當(dāng)于全球電網(wǎng)平均功率的500倍，1飛秒等于1秒的1千萬億分之一。普通照相機(jī)最快可以達(dá)到毫秒級，這相當(dāng)于飛秒級照相機(jī)的科學(xué)裝置，可為電子運(yùn)動(dòng)軌跡成像。

　　超強(qiáng)超短激光有何應(yīng)用價(jià)值

　　今年3月，我國科學(xué)家首次利用激光產(chǎn)生反物質(zhì)。這正是上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置的一個(gè)成果，它可以在材料內(nèi)部制造出反物質(zhì)，也就是大量正電子，與材料內(nèi)部帶負(fù)荷的電子發(fā)生湮滅，當(dāng)電子的全部質(zhì)量轉(zhuǎn)變成電磁輻射，并以伽馬光子射出，再檢測這些光子，就能間接地探測到材料的內(nèi)部情況。未來，這一成果還可能用于真空結(jié)構(gòu)和暗物質(zhì)的探測。

　　這還只是超強(qiáng)超短激光應(yīng)用的冰山一角。它為人類提供了前所未有的極端物理?xiàng)l件與全新實(shí)驗(yàn)手段，自然界中只有在恒星內(nèi)部或是黑洞邊緣才能找到的高能量密度（單位體積內(nèi)包含的能量）極端條件已有可能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造。舉例來說，解析一個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，對于揭示生命的奧秘意義重大，超強(qiáng)超短激光可用于研制臺式化電子加速器和超快X射線源，對蛋白質(zhì)中的原子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行成像探測；目前用于癌癥治療的傳統(tǒng)質(zhì)子加速器，體積龐大，超強(qiáng)超短激光可用于研制小型化激光質(zhì)子刀；材料的很多根本特性是由電子特性來決定的，電子運(yùn)動(dòng)的速度比原子還要快，超強(qiáng)超短激光正是“以快制快”，其阿秒（1阿秒=10-18秒）脈沖可以用于探測原子內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)材料科學(xué)的進(jìn)步。一言以蔽之，它在臺式化加速器、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)、高能物理等領(lǐng)域都具有重大應(yīng)用價(jià)值。

　　早在2010年，《自然》就預(yù)測未來10年激光領(lǐng)域可能實(shí)現(xiàn)5項(xiàng)重大突破，其中4項(xiàng)與超強(qiáng)激光直接相關(guān)?！犊茖W(xué)》也發(fā)專文指出，“這項(xiàng)工作將影響每一項(xiàng)研究，從聚變到天體物理。”正因?yàn)榇?，超?qiáng)超短激光成為了國際上激光科技的最新發(fā)展前沿與競爭重點(diǎn)領(lǐng)域。多個(gè)國家投巨資開展10拍瓦級激光裝置的研制。歐盟計(jì)劃于2018年建成10拍瓦激光裝置，法國和英國也正在研制各自的10拍瓦激光裝置，美、俄、日等則提出了百拍瓦級激光裝置的設(shè)想。

　　在國家發(fā)改委和上海市共同支持下，以10拍瓦激光裝置為核心的上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置的研制已被納入上海建設(shè)具有全球影響力的科創(chuàng)中心、打造世界級重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群的首批重大項(xiàng)目，也將是上海張江綜合性國家科學(xué)中心的核心平臺之一。

　　為什么10拍瓦是一道坎

　　為什么各國都把建成10拍瓦激光裝置作為重要的目標(biāo)？上海光機(jī)所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任冷雨欣介紹，10拍瓦是一道坎，建設(shè)難度大，同時(shí)應(yīng)用范圍廣，一旦建成可以更好地提供極端物理?xiàng)l件與全新實(shí)驗(yàn)手段。

　　“每步都很難，10拍瓦更是難上加難。”冷雨欣說，從1996年研制出鈦寶石2.8太瓦（1拍瓦=1千太瓦）激光裝置算起，科研團(tuán)隊(duì)為之奮斗了整整20年。2007年為了研制當(dāng)時(shí)世界最高鈦寶石功率0.89拍瓦的激光裝置，科研人員頂著壓力，沒日沒夜地干。當(dāng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的裝置需要預(yù)熱，大家輪流早晨6時(shí)就趕到實(shí)驗(yàn)室把空調(diào)打開。等到調(diào)節(jié)好設(shè)備開始實(shí)驗(yàn)，差不多就到了下午，沒有一個(gè)人舍得按時(shí)下班，都喜歡在實(shí)驗(yàn)室工作到深夜。

　　天道酬勤。2013年團(tuán)隊(duì)研制成功了當(dāng)時(shí)國際最高峰值功率2拍瓦激光放大系統(tǒng)，此前國際最高激光峰值功率是由美國勞倫斯—利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室1999年創(chuàng)造并保持14年領(lǐng)先地位的1.5拍瓦。

　　這一領(lǐng)跑優(yōu)勢一直保持到了今天。如果說激光放大技術(shù)是一座高峰，把脈沖時(shí)間壓縮到趨于無窮小則是一座更高的險(xiǎn)峰。能量不變的情況下，只有當(dāng)時(shí)間趨于無窮小時(shí)，功率才會(huì)趨于無窮大。就在今年8月，科研團(tuán)隊(duì)解決了激光放大和脈沖壓縮的關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了5拍瓦激光脈沖輸出。

　　科學(xué)家預(yù)測，未來5年，激光的聚焦強(qiáng)度可能超過1023W/cm2，甚至更高量級。這么大的光強(qiáng)意味著什么？估算一下，1021W/cm2相當(dāng)于地球接收到的太陽總能量聚焦到頭發(fā)絲粗細(xì)的尺度。如此巨大的光強(qiáng)，人們可能會(huì)擔(dān)心超強(qiáng)超短激光裝置是否會(huì)帶來輻射。科研人員解釋說，盡管超強(qiáng)超短激光的功率達(dá)到拍瓦級，但因?yàn)闀r(shí)間達(dá)到飛秒級，其能量還不如一瓶可樂，在脈沖持續(xù)時(shí)間里，只有大約200焦耳的能量。需要知道的是，一臺2千瓦的微波爐如果工作1秒鐘，就能產(chǎn)生2千焦耳的能量，連牛奶都轉(zhuǎn)不熱?？傮w而言，超強(qiáng)超短激光裝置產(chǎn)生的輻射很小，只需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室防護(hù)即可。

　　據(jù)介紹，這一項(xiàng)目預(yù)計(jì)明年年底將首批建成極端條件材料科學(xué)研究平臺、超快亞原子物理研究平臺、超快化學(xué)與大分子動(dòng)力學(xué)研究平臺等3個(gè)用戶實(shí)驗(yàn)終端，服務(wù)于物質(zhì)科學(xué)與生命科學(xué)的研究。

　　中科院上海分院院長、上?？萍即髮W(xué)黨委書記朱志遠(yuǎn)評價(jià)這一國家戰(zhàn)略時(shí)說，在上海市委市政府部署下，超強(qiáng)超短激光裝置與同處張江的上海光源、國家蛋白質(zhì)中心上海設(shè)施等大科學(xué)設(shè)施共同組成了獨(dú)具特色的世界級大科學(xué)裝置集群?；A(chǔ)科學(xué)的創(chuàng)新和前沿問題的探索，離不開核心技術(shù)的突破。這一世界級大科學(xué)裝置集群的建成，是上海建設(shè)有全球影響力的科創(chuàng)中心的重要內(nèi)涵，將為提升科學(xué)界基礎(chǔ)研究能力和前沿探索能力做出更大貢獻(xiàn)。