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文汇报:“超级光源”又添一道耀眼强光

来源： 发布时间：2016-09-12【字体：大 中 小】
未来数年，上海张江综合性国家科学中心超强超短激光实验装置将与上海光源、软X射线自由电子激光一起，组成张江“超级光源”，成为照亮科学前沿、探索技术高地的一大中流砥柱，也为上海建设具有全球影响力的科创中心提供有力支撑。图为在实验室内，由各种透镜设备组成的光路。叶辰亮摄

　　又一道耀眼的强光在浦东张江亮起———近日，上海张江综合性国家科学中心超强超短激光实验装置(SULF)完成5拍瓦激光脉冲输出，这是世界上成功输出瞬时功率的最高值!　它标志我国在该领域达到了国际领先水平。SULF的下一个目标将是在国际上率先实现10拍瓦激光输出。

　　如果把峰值功率1拍瓦的激光聚焦到10微米的大小，其光强就相当于将照到地球上的所有太阳能量聚焦到一根头发丝上，这是人类已知的最高光强光源。未来数年，SULF将与上海光源、软X射线自由电子激光一起，组成张江“超级光源”，成为照亮科学前沿、探索技术高地的一大中流砥柱，也为上海建设具有全球影响力的科创中心提供有力支撑。

　　用微波炉0.1秒能量产生反物质 

　　换上白大褂，套上鞋套和头套，经过风淋房，记者走进位于上海科技大学教学楼的中科院上海光机所-上科大超强激光光源联合实验室。

　　万级超净实验室里，各种各样的反射、滤光玻璃，以及不锈钢真空管道、压缩器，放满了实验桌。如果不打开光源，没有任何连接的玻璃，看起来似乎是随意摆放的，其实它们的所有摆放位置都经过十分精确的调试。

　　实验室分为两间，一间是光源初始的地方，闪烁的绿光通过处理，频率变得符合科学家的需要，能量增加到7焦耳。此时，它通过墙上的一个圆孔来到另一个房间，在这里，它将被增强为在飞秒级时间内爆发出拍瓦级强大功率的超级激光。

　　1拍瓦相当于1秒钟内释放出1千万亿焦耳的能量。然而，激光脉冲存在的时间却非常短，只有几十飞秒，1飞秒即千万亿分之一秒。所以，每个激光脉冲实际包含的能量却非常小。“我们达到5拍瓦的激光输出，其实每个激光脉冲能量还不到200焦耳。”中科院上海光机所所长李儒新说，“这只相当于普通微波炉开动高火0.1秒钟的能量。”

　　然而，就在这短短的一瞬间，科学家可以利用这特殊的激光，模拟出极端物理环境，比如恒星内部、黑洞边缘，在实验室中产生反物质、探测暗物质，进而研究真空———因为我们所认为的真空，其实并不是“真的空”，其中蕴含的奥秘，有待SULF及其升级装置去揭开。

　　双脉冲为钛宝石晶体注入能量 

　　英国《自然》杂志曾经在2010年预测未来十年重要科学领域的发展方向。

　　激光领域的五大突破中，有4项与超强超短激光直接相关。

　　世界各国都在大力发展超强超短激光光源，以及依托其的前沿科技创新平台，这一领域的国际竞争非常激烈。2012年，欧盟投资8.5亿欧元，计划于2018年建成10拍瓦的激光用户装置，开创激光与物质相互作用研究与应用的新时代。美、俄、日等国也纷纷提出各自的百拍瓦级超强超短激光装置研究设想。

　　然而，5拍瓦的首次激光输出，却被中科院上海光机所—上科大联合实验室拔得头筹。2013年，上海光机所团队在世界上率先研制成功2拍瓦的激光放大系统，为当时国际最高峰值功率。此前14年，这顶桂冠一直被美国劳伦斯·里弗莫尔国家实验室所持有。

　　去年年底，该团队研制成功5拍瓦激光放大技术验证系统。“当功率高到一定程度，再提高哪怕一点点，都相当困难。”装置主要研发人员、上海光机所梁晓燕研究员说，突破的关键在于如何将更高能量传递给输出的激光脉冲。

　　科研人员面对的第一个难题，就是寄生振荡。当其他光作为能量注入晶体时，总会有些捣乱的光子，它们会在晶体里不按规定路线奔跑，并不断放大，消耗掉越来越多的能量。科研人员想出办法，及时消除了这些捣乱的光子。得到高效放大的激光脉冲再被送入真空压缩罐，压缩到24飞秒，达到5拍瓦的超高功率。

　　还有一个技术瓶颈是用于激光放大的晶体材料。要达到10拍瓦功率，就需要制备200毫米以上直径的钛宝石晶体，而目前这样的晶体还没人能做出来。目前要达到5拍瓦功率，所使用的是150毫米直径的钛宝石晶体。上海光机所2014年研发成功这种口径的钛宝石晶体，目前正在研发200毫米口径的钛宝石晶体。

　　开辟“超快”物理研究平台 

　　超强超短激光光源，究竟有什么能耐？　能给我们的生活带来什么样的改变？

　　它能给高能粒子加速器的发展，带来革命性推动。现在的粒子加速器往往需要占用一间十几米长的房间，而激光加速器则可使加速器的体积缩小到可以放置在写字台上。“现在开展的质子刀治疗，需要造一座专门医院，未来可能质子刀会像CT一样，成为医院中的一台常规设备。”上海光机所强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣研究员说，这是因为产生高能质子的加速器变成一台电脑大小的仪器了。

　　它可以提高时间分辨率，由此可导致新的科学和技术突破。SULF继续升级，其输出的各种波段的辐射脉冲，其时间宽度会从飞秒级，提高到阿秒(10的负18次方秒)级、甚至仄秒(10的负21次方秒)级，将开辟光波电子学与信息新技术、超快光核物理研究的新学科领域。

　　超强超短激光装置在上海光机所的嘉定园区已发展多年，这次“搬家”到张江，李儒新说，是为了能服务更多的科研用户。SULF将打造三大用户平台：极端条件材料科学研究平台，开展超快材料动态性质的研究，在航空、航天、舰船、高铁、能源、新材料等领域都会有重要应用；超快亚原子物理研究平台，进行反物质与天体物理研究，也有望用于暗物质研究；超快化学与大分子动力学研究平台，可以对生物大分子中的超快电荷转移机制进行研究，也可以基于激光太赫兹辐射对生物大分子进行探测与操控。

　　上海科技大学物质学院副院长、特聘教授刘志说，装置的作用可以发挥多大，与用户息息相关，他希望未来能有更多科学家通过这个平台做出一流科研，去发现这种超级光源的更多用途。（《文汇报》2016年09月09日 01版 记者：许琦敏）

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