什么是皮秒拍瓦激光系統(tǒng)？

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）的“高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)”項目被列入上海市科委今年的重大科研工作科普化項目。該項目第一完成人上海光機所朱健強研究員近期接受了筆者采訪。應(yīng)筆者要求，朱健強首先就項目名稱涉及的“皮秒”、“拍瓦”、“激光系統(tǒng)”等概念作了一番解讀：

拍瓦（10^15W）是一個描述一定時間范圍內(nèi)的激光瞬間功率的術(shù)語，與拍瓦相關(guān)的時間尺度有兩類，一類是皮秒（10^-12秒），一類是飛秒（10^-15秒），兩者差別在于時間寬度，時間越長，則需能量越大，才能實現(xiàn)拍瓦輸出。

記得當(dāng)時媒體報道用了1皮秒相當(dāng)于1萬億分之一秒；1拍瓦相當(dāng)于1千萬億瓦，這個功率差不多是全球發(fā)電總量的500倍。

從激光技術(shù)的發(fā)展軌跡看，激光的脈沖寬度（指脈沖所能達到最大值所持續(xù)的周期）從毫秒、微秒、納秒、皮秒縮短至目前的飛秒乃至阿秒，但是，隨著脈沖寬度的變窄，每個脈沖內(nèi)所包括的能量也隨之減少。

常規(guī)的放大技術(shù)，激光能量的提取效率也與激光脈寬有關(guān)，所以，實現(xiàn)拍瓦輸出，切實可行的技術(shù)方案是在激光放大過程中把納秒級脈寬的脈沖的能量放大到一定水準(zhǔn)，再把脈沖寬度壓窄到皮秒或飛秒。簡單來說，在更短時間里獲得更大的能量。

實際上相關(guān)概念可以追溯到激光技術(shù)剛問世的1964年，那時就已有文章討論啁啾脈沖可以壓縮的話題。諾獎得主莫羅在20世紀(jì)80年代進一步提出啁啾脈沖的放大壓縮概念。

20世紀(jì)90年代，科學(xué)家已經(jīng)可以把脈沖壓縮到飛秒級，但因為壓縮本底太大，還不具備真正物理實驗上的可用性。

1999年勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）利用啁啾脈沖放大壓縮的基本原理，做出皮秒拍瓦激光系統(tǒng)裝置；伴隨著拍瓦激光的需求，科學(xué)家還制作出了米級尺寸每毫米1 700線的光柵。沒有大尺寸（米級）高密度光柵的制備，拍瓦激光是無法實現(xiàn)的。大尺度光柵制備難原因之一是原先的刻劃工藝無法制備大口徑高密度的光柵。后來圍繞這一需求發(fā)展了全息曝光刻蝕系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)光柵制備中的障礙，實現(xiàn)了高損傷閾值的大口徑光柵制備。

從概念到樣機，躋身國際競爭

“每項技術(shù)進步都是多種技術(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”。

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

有了這樣的皮秒拍瓦裝置可以做什么有價值的事？1999年LLNL的工作讓人看到了這一裝置的潛在應(yīng)用：在激光慣性約束聚變中的“快點火”研究中，皮秒拍瓦激光大有用武之地！

自1996年聯(lián)合國安理會全面禁核試驗條約生效后，各國都在競相開發(fā)實驗室條件下模擬核爆炸過程的設(shè)備和技術(shù)，其中一個方案就是采用多束高能激光，聚焦于一個非常小的燃料小球上，使燃料小球達到高溫高壓產(chǎn)生核聚變反應(yīng)，即所謂的“點火”。

目前該領(lǐng)域的一個熱點就是在激光均勻輻照球形靶丸的同時，采用一路非常強的點火激光，深入到靶丸中心，首先點起火來，該方案又被稱為“快點火”。

在中國，類似的由上海光機所牽頭完成的攻關(guān)項目被稱為“神光Ⅱ”工程，這也是1993年朱健強博士畢業(yè)留所工作后參與的第一個重大項目。

“神光Ⅱ”工程寄托著幾代科學(xué)家的能源夢。地球上聚變能源的原料異常豐富，1 000立方米的海水含有的聚變能量相當(dāng)于全球化石能源的總和，若將其在受控情況下釋放出來，可供人類使用上千萬年。研制類似“神光Ⅱ”工程這類大型激光裝置，是科學(xué)家探索新能源征途上的一個里程碑。

可以說從高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)研制起步到后來牽引出聚變反應(yīng)的快點火以及由此衍生出的聚變能源的研究方向，這一路走來都是科學(xué)思想引領(lǐng)和重大需求牽引的結(jié)果。在中國，上海光機所牽頭的這一項目從一開始就得到中科院和國家863計劃強有力的支持，后來滾動到國家重大科技專項。

禁運之下的自主研發(fā)

回顧整個項目近30年的實施推進過程，朱健強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，禁運催生、促進了我們內(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)的進展中來。朱健強介紹，

團隊的科學(xué)家利用這一裝置上取得了一系列原創(chuàng)成果：

信噪比達到能開展實質(zhì)性工作的水平；

中子產(chǎn)率獲得率達到國際最高水平；

快點火研究也取得了突破性進展：激光聚變研究團隊在上海光機所神光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，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，其中的皮秒拍瓦相當(dāng)于火花塞?？禳c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

話題進入技術(shù)應(yīng)用，這也是我們科普化解讀一定希望涉及的。事實上如今的醫(yī)療、美容領(lǐng)域，激光醫(yī)療、皮秒美容都很火，網(wǎng)上信息鋪天蓋地。為此我也請教眼前這位光學(xué)領(lǐng)域大專家如何看待激光皮秒技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)美容領(lǐng)域。

身兼中國電子學(xué)會激光專委會副主任委員的朱健強接過我的問題回應(yīng)說，2020年是激光技術(shù)發(fā)明60周年，激光在半個多世紀(jì)里從科學(xué)概念發(fā)展到今天滲透到科學(xué)、工業(yè)、醫(yī)療等幾乎所有領(lǐng)域，可以說我們每個人的生活都已經(jīng)與激光及其應(yīng)用難分難舍：

“具體而言，質(zhì)子束治療早已成為癌癥治療的一個有效手段，但目前用的質(zhì)子源大都來自質(zhì)子加速器，成本很高，做一次要幾十萬的費用。如今激光加速質(zhì)子源已成為重要的醫(yī)療質(zhì)子源。國內(nèi)外都啟動了相關(guān)的研究計劃，以使相關(guān)的治療成本降到千元以內(nèi)。不少風(fēng)投都關(guān)注并進入到這一領(lǐng)域，相信不出幾年就有望進入常規(guī)的腫瘤放射性治療中。

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，接下來朱健強和他的團隊最想做的是什么。

可能這個問題正對上朱健強近期工作的興奮點，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，決意共同推進快點火研究。

2020年4月25日，先導(dǎo)物理實驗團隊在實驗現(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?！?/p>

從1991年進入上海光機所師從陳紹和、鄧錫銘老師進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步一等獎桂冠，從1993年研制出高能激光系統(tǒng)樣機到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。我們也期待進入皮秒、拍瓦時代的中國激光科技能書寫更恢宏的篇章。

作者手記：

朱健強研究員領(lǐng)銜完成的“高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)”項目摘得2018年度上?？萍歼M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年前對朱健強做啟明星采訪的美好回憶。

當(dāng)時37歲的朱健強受命出任中科院上海光學(xué)精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）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展，彌補2002年那次啟明星訪問的缺憾。

“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行科普化報道。

本篇圍繞2018年上海市科技進步一等獎——“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)精密機械研究所朱健強領(lǐng)銜的團隊獲得。