夙愿实现的那一刻,是什么感觉?激动?振奋?喜极而泣?中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称上海光机所)研究员於亮红的回答是:“整个人仿佛都放空了。”那是2017年10月24日。这天一大早,於亮红就走进位于上海浦东张江的超强超短激光实验室。他看着到场的同事,给大家打气:“说不定在今天,我们就能达到目标!”转眼到了傍晚,设备打出的脉冲能量还在300焦耳以下徘徊。
他们的目标是输出功率10拍瓦以上的激光,这需要脉冲能量至少达到330焦耳,目前还是“差口气”。由于设备需要散热,每次打光至少间隔两小时,因此一天最多能打五六次。晚上7点多,他们再次调试仪器,准备再试一次。仪器调好后,实验人员进入操控室发出运行指令。耳畔各种声音此起彼落:真空设备的隆隆声、制冷剂的嗡嗡声、每隔半分钟一次的嘀嘀声……唯独人是安静的:他们都在屏息凝神,等待结果揭晓的那一刻。
单次放大完成了,於亮红和师弟甘泽彪(时任上海光机所助理研究员,现为副研究员)重新回到实验室,查看能量计。比手机稍大一点的显示屏上,跳动着一个从未有过的数字:339焦耳。换算一下,功率刚好达到10拍瓦!欢呼声响了起来,盖过了嘀嘀声、嗡嗡声以及最响的隆隆声。闻讯赶来的同事都在狂欢,最年轻的几位兴奋地跑来跑去。
於亮红坐在角落的一个小箱子上,倚着墙壁,看着眼前晃过的每一张快乐的脸庞,只觉得整个人都“空”了:过去几个月里,每次实验数据不达标,他都会反复思索哪里做得不够。这一次,终于不用再想了。
让超短超强激光,更短更强!上海超强超短激光实验装置(以下简称“羲和”装置)在世界上首次实现了10拍瓦激光放大输出!这个从天而降的喜讯,很快成为了国内外科技热点新闻。10拍瓦,是当时人类已知最高的激光峰值功率。
假如地球外有一面巨大的透镜,把照射在地球上的所有太阳光聚焦在一根人类头发丝直径大小的点上所产生的光强,相当于1拍瓦,那么10拍瓦就是10个太阳的光强!也正因如此,中国科学院院士、上海光机所研究员李儒新给这座装置取了一个颇具中国式浪漫的名字:羲和。在《山海经》的神话传说中,羲和女神是10个太阳的母亲。后羿射日之前,10个太阳同时凌空给大地上的生灵带来了灾难。
而今,“羲和”装置将相当于10个太阳的光芒汇聚起来,并将用这种巨大的光强造福人类。
超强超短激光,是世界各国都在争夺的科技制高点。所谓“超强”,是指脉冲功率极高;所谓“超短”,是指一个脉冲的时域尺度极短,达到几十飞秒(1飞秒为一千万亿分之一秒)的量级。众所周知,功率等于能量除以时间,当分子极大而分母极小时,瞬时功率就会达到惊人的强度。
10拍瓦以上的激光,能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度等综合性极端物理条件。在自然环境中,这样的条件只存在于核爆中心、恒星内部、黑洞边缘等极端环境中。毫无疑问,这样的科研重器将把人类对物质世界的认知,带入一个全新境界。然而,人类对超强超短激光的追求伴随着重重的艰难险阻。超短激光脉冲在能量放大过程中极具破坏性,会损坏设备。这一度成为该领域最大的瓶颈。
1985年,法国科学家Gerard Mourou和加拿大科学家Donna Strickland提出一种巧妙的方法:当一个超短激光的低能量种子脉冲发出后,先把它的时域尺度拓宽,也就是俗称的“展宽”,这样它的整体功率就降低了,之后通过作为“储能电池”的钛宝石晶体,一次次把更多能量输入这束激光中,最后对激光进行时域上的压缩,让它的功率达到最高——这就是著名的啁啾脉冲放大(CPA)技术。
“好比一个人,个头儿比门还高,怎么在不损坏门框的前提下,让他通过呢?”上海光机所研究员王文鹏打了个形象的比方,“CPA技术的思路是先让这个人躺下,从瘦高个变得又长又扁,在通过一道道门的过程中,我们又给他加上一节节‘高跷’。最后,当他走过所有门,再踩着高跷站起来时,就是一个很高很高的巨人了。”1992年,立陶宛科学家A. Piskarskas等又发明了光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术。
在某些方面,这一技术的独特性,可以突破限制高功率激光系统发展的若干技术瓶颈。中国科学院院士、上海光机所研究员徐至展是国内这一领域的先行者。2002年,他领衔完成“小型化OPCPA超短超强激光装置”,在120飞秒的瞬间获得16.7太瓦(167亿千瓦)的强大功率,这个数字远超当时国际多数同类研究结果。此后,徐至展和他的学生李儒新接力奋斗,致力于让超短超强激光变得更短、更强。