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5拍瓦世界最強光 期待擴大應用領域

試想如果將太陽照到地球上的所有能量聚焦到一根頭發絲上，這樣的光的強度會有多大?科學家給出的答案是：這相當於把達到全球電網平均功率的500倍的光聚焦到10微米。在物理學上，這種激光的功率被定義成1拍瓦。事實上，拍瓦級別的激光也是目前人類已知並且能夠實現的強度最高的光源。

近日，人類最高光強光源的瞬時功率上限取得了重要突破。中科院上海光機所-上海科技大學超強激光光源聯合實驗室的科研團隊在張江綜合性國家科學中心超強超短激光實驗裝置(SULF)上，成功實現了5拍瓦激光脈沖輸出，這是世界上成功輸出瞬時功率的最高值。SULF的下一個目標將是在國際上率先實現10拍瓦激光輸出。

黑洞邊緣一道強光

科學家通過該裝置輸出的超強超短激光，峰值功率可達5.3拍瓦，瞬間爆發的功率相當於全世界電網平均功率的2000多倍，對應的極端物理條件通常只有在恒星內部或黑洞邊緣才能產生。

“雖說是超強超短激光，但實際上非常安全。我們達到5拍瓦的激光輸出，其實每個激光脈沖能量還不到200焦耳。”中科院上海光機所科研人員對《第一財經日報》記者表示，“這只相當於普通微波爐開動高火0.1秒鐘的能量。”

中科院上海分院院長、上海科技大學黨委書記朱誌遠對《第一財經日報》記者表示：“未來幾年，上海張江綜合性國家科學中心超強超短激光實驗裝置將與上海光源、軟X射線自由電子激光一起，組成張江‘超級光源’，成為照亮科學前沿、探索技術高地的一大中流砥柱。”

記者在位於張江的中科院上海光機所-上海科技大學超強激光光源聯合實驗室里看到了大大小小幾十枚形狀、顏色各異的“鏡子”，光源都是透過這些“鏡子”發生折射和處理的。其中一枚長得與眾不同的“鏡子”引起了記者的註意——這是一枚玫紅色的圓形“鏡子”，放在了整個實驗桌子的最末端。實驗室研究人員告訴記者，這可不是一枚普通的鏡子，而是整個實驗室的“鎮館之寶”——叫做“鈦寶石”。裝置主要研發人員、上海光機所梁曉燕研究員隨後向記者介紹了該激光裝置所采用的基於大口徑鈦寶石晶體的啁啾脈沖放大(CPA)的技術路線。

該項目研究團隊創新發展了大口徑高增益CPA放大器的主動寄生振蕩抑制技術和激光光譜色散的精密控制補償技術等，也是首次在國際上實現了200焦耳以上能量水平的寬帶(70納米)激光放大輸出。“主放大器輸出的數納秒級啁啾脈沖經過采用大口徑光柵的脈沖壓縮器壓縮至亞30飛秒脈沖，壓縮後激光脈沖的峰值功率最高可達5.3拍瓦，這是目前已知的國際最高激光脈沖峰值功率。它可以提供超高的強度和超快的時間分辨率，由此可導致新的科學和技術突破。”梁曉燕對記者表示。

跟蹤蛋白質原子

據科研人員介紹，SULF還將繼續升級，其輸出的各種波段的輻射脈沖，其時間寬度會從飛秒級，提高到阿秒(10的負18次方秒)級，甚至仄秒(10的負21次方秒)級，將開辟光波電子學與信息新技術、超快光核物理研究的新學科領域。

由於超強超短激光能產生極端條件，所以應用也非常廣泛。科學家可以利用這特殊的激光用於研制電子加速器和超快X射線源;通過制造反物質，甚至可能探測暗物質，來研究天體物理和宇宙起源，未來還有望替代“殺癌利器”質子治療儀中的加速器。

科研人員告訴記者：“超強超短激光光源研究的突破能夠服務於其他學科的基礎研究，首先是在瞬間能提供一個很大的輸出，產生一種特殊的狀態，這個狀態就可以模擬多種材料的特殊工作環境。比如一些材料容易疲勞或者受損，我們可以讓它在短時間里加速老化，就可以研究材料的壽命問題。所以對材料科學會有推動。第二個是生命科學領域的用處，因為光源在時間尺度方面會很短，有可能會看到蛋白質里面原子運動的動態過程，它也會對生命科學帶來幫助。”

他還補充道，上海光源已經在生命科學方面有很大的應用價值，能夠發現一些蛋白質晶體的結構。目前測定蛋白質分子三維結構的最有效的手段是X射線衍射。但是采用超強超短激光產生的超快X射線可能觀測到蛋白質內原子的運動。“就好像快速運動的物體如果用普通的閃光燈拍下來會糊掉，但是我們的閃光燈很快，所以可以抓住原子的運動過程。”研究人員對記者表示。這可能會把生命科學研究帶入一個嶄新的時代。

“同步輻射光源的應用已經很廣了，而超強超短激光現在還處於一個應用開拓的階段。”研究人員向記者介紹道，“上海光源是同步輻射光源，全世界有好幾臺類似光源作為用戶裝置在使用，它已經成為了一種綜合性研發平臺，而超強超短激光以前主要是非常專門領域的科學家在使用的，就好比天文望遠鏡那樣，主要是天文學家在用，但是現在我們希望擴大它的應用領域”。

全球競賽

目前國際上已有包括歐盟、法國、英國等多個國家投入巨資大力發展超強超短激光光源，因此這一領域的國際競爭非常激烈。科研人員對《第一財經日報》記者表示：“大家都在你追我趕，很難說誰能保持領先。”

2012年，歐盟投資8.5億歐元，計劃於2018年建成10拍瓦的激光用戶裝置，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超強超短激光裝置的研究設想。

2013年，上海光機所團隊在世界上率先研制成功2拍瓦的激光放大系統，為當時國際最高峰值功率。去年年底，該團隊研制成功5拍瓦激光放大技術驗證系統。“當功率高到一定程度，再提高哪怕一點點，都相當困難。”梁曉燕研究員對《第一財經日報》記者表示，“突破的關鍵在於如何將更高能量傳遞給輸出的超短激光脈沖。”

5拍瓦激光脈沖輸出項目的重大進展為SULF項目實現10拍瓦激光脈沖輸出的研制目標奠定了堅實的技術基礎。據悉，SULF項目預計將首批建成包括極端條件材料科學研究平臺、超快亞原子物理研究平臺和超快化學與大分子動力學研究平臺等3個用戶實驗終端，服務於物質科學與生命科學的研究。面向國內外高校，科研機構和企業全面開放，並充分融入上海光源裝置，形成多學科綜合研究平臺。