“光之利器”为大科学装置保驾护航

科研人员在项目实验室工作

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长久以来，让激光变得“超强”是科学家们努力的方向。两年前的诺贝尔物理学奖，将“啁啾脉冲放大技术（CPA）”这个略显拗口的名字带进了公众视野。正是基于这项技术，位于上海张江的超强激光已达到10拍瓦级，并向百拍瓦级激光稳步迈进。

中国科学院上海光学精密机械研究所沈百飞项目组耕耘超强激光与物质相互作用逾30年，取得了多项引领性研究成果，成为上海超强超短激光实验装置与国家重大科技基础设施硬X射线自由电子激光装置中“极端光物理线站”设计的重要依据。在日前举行的上海市科学技术奖励大会上，“超强激光驱动粒子源与新光场”项目被授予2019年度上海市自然科学奖一等奖。

寻求突破 发展潜力大

“国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）在预测今年重要科学领域的趋势及挑战中提到，超强超短激光的出现使我们能够在实验室创造前所未有的极端物理条件，开创了很多新的研究方向。”沈百飞介绍。

据悉，超强激光驱动粒子源具有加速能力强、束源小、流强高的特点，在聚变快点火、质子成像、癌症治疗等方面具有重要的应用价值与发展潜力。

在超强激光物理领域，离子加速是一个极为重要的研究方向。不过，这几年的发展并不顺利。“目前最为成熟的机制叫做‘靶后鞘层加速’，它有能量小、转换效率低、能谱宽等缺点。在近20年的时间内，质子能量增长不到一倍。”沈百飞说。如何突破原有机制的局限，是超强激光离子加速的核心挑战。

啃硬骨头 屡获重大突破

近年来，随着激光强度的提高，强激光驱动正电子源逐渐成为可能，这项工作也迅速得到国际上的广泛关注。“2016年，我们在国内首次实现激光驱动正电子的产生，这是在我们超强激光反物质物理、正负电子对撞研究等方面的重大突破。”沈百飞兴奋地表示。

科研人员敢“啃最硬的骨头”，开辟了强场涡旋激光物理这一新的前沿领域，成为国际关注焦点并得到了实验验证。“涡旋激光将平直波面变成螺旋状，其强度分布则是中空结构，它的重要特点是具有轨道角动量。”沈百飞说。项目组还突破传统光学方法的损伤阈值限制，在国际上首次提出“光扇”靶结构，将涡旋光研究推进到超强激光领域。

一张帆船在大海中航行的图片，总被沈百飞用来解释几者间的关系。“超强激光的光压可驱动离子加速，就如同风驱动帆船；而超强涡旋激光提供了角动量这一全新的维度，犹如为帆船增加了舵。”

此外，项目组首次提出“光扇反射”产生超强涡旋激光的方法，并提出兼具高强度、短波长、高角量子数的涡旋高次谐波理论机制，获得实验验证。

接续奋斗用好“屠龙剑”

这些成果的背后，是老中青三代人的接续奋斗。沈百飞的导师是我国超强超短激光与强场物理新领域的奠基者与领头人徐至展院士，他的不少学生已成为中国超强激光科学领域的骨干科学家。而沈百飞也已培养博士生20余名，这些青年才俊也正接过前辈传下的接力棒。

上周末，在中科院上海光机所第十六届公众科学日的“激光之最”环节，首先与大家见面的就是超强超短激光装置。所谓“超强”，是激光脉冲峰值功率达到拍瓦级；所谓“超短”，是脉冲宽度达到数十飞秒级（1飞秒=1千万亿分之一秒）。功率如此之高的激光，能在实验室里创造出类似于恒星内部、黑洞边缘的极端条件，在许多科技领域有重要价值。

在沈百飞眼中，超强超短激光装置是“屠龙剑”。如今，坐落于张江的上海超强超短激光实验装置已经基本建成。而以100拍瓦超强超短激光为核心的硬X射线自由电子激光装置也正抓紧建设。

本报记者郜阳 文并摄影