世界最強光從浦東發(fā)出：上海超強超短激光實驗裝置的追光之旅

　　“成功來自努力、智慧創(chuàng)造奇跡、激光在我手上、家國在我心中”，位于浦東張江的上海超強超短激光實驗裝置大廳內(nèi)，四列紅色大字赫然在目，緊挨著目前全球最高激光峰值功率紀錄的保持者——世界首臺10拍瓦超強超短激光實驗裝置（SULF）。

　　超強超短激光被認為是人類已知的最亮光源，能在實驗室里創(chuàng)造出之前只有在核爆中心、恒星內(nèi)部、黑洞邊緣才能找到的極端物理條件。10拍瓦（即1億億瓦）激光系統(tǒng)為人們提供了前所未有的超高能量密度、超強電磁場和超快時間尺度等綜合性極端物理條件。但這不是終點，距此不遠處，比它還強十倍的100拍瓦激光裝置正在建設(shè)中。

　　包括超強超短激光裝置在內(nèi)，全球規(guī)模最大、種類最全、綜合能力最強的光子大科學(xué)設(shè)施群在張江逐漸成形，探索開辟科學(xué)最前沿。“在科學(xué)性能上，超強超短激光裝置與上海光源、軟X射線自由電子裝置和蛋白質(zhì)大科學(xué)裝置等能夠相互補充。也就是說，在浦東小小幾平方公里土地上，集中了一系列世界領(lǐng)先水平的大科學(xué)裝置，特別是光子大科學(xué)裝置。它們有不同的性能和特點，能夠為科學(xué)家提供不同需求的綜合性物理實驗條件。”中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所副所長冷雨欣在近日采訪中對澎湃新聞?wù)f道，立足于浦東張江地區(qū)的光子大科學(xué)設(shè)施群，結(jié)合不同裝置的優(yōu)勢特色，中國科研團隊有望在基礎(chǔ)物理、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、國防安全及工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域取得創(chuàng)新性成果。

        2018年的諾貝爾物理學(xué)獎授予美國科學(xué)家阿瑟·阿什金、法國科學(xué)家熱拉爾·穆魯以及加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭，以表彰他們在激光物理學(xué)領(lǐng)域的突破性貢獻。其中，斯特里克蘭及其導(dǎo)師穆魯開創(chuàng)的啁啾脈沖放大技術(shù)，已普遍被應(yīng)用于超強超短脈沖激光系統(tǒng)中。國際上，歐盟、英、法、俄、美、德等均提出各自的超強超短激光裝置計劃，是全球科技競爭重大前沿領(lǐng)域之一。

　　在古希臘神話中，太陽神阿波羅司掌光明，法國的拍瓦激光裝置被命名為“阿波羅”。項目負責(zé)人、中國科學(xué)院院士李儒新為上海超強超短激光實驗裝置取了一個更富詩意的名字：羲和激光裝置。羲和是《山海經(jīng)·大荒南經(jīng)》中記載的太陽之母，誕下10個太陽，故以此命名10個拍瓦的激光裝置。

　　10拍瓦超強超短激光，顧名思義，第一大特點是超強，光強高達每平方厘米10的22次方瓦。脈沖壓縮后寬度達到飛秒量級，相當于將10個太陽輻射到地球的總功率匯聚到一根頭發(fā)絲這樣的尺度。

　　這種瞬間爆發(fā)力能起到什么作用呢？它為推進多領(lǐng)域應(yīng)用科學(xué)及理論研究的發(fā)展創(chuàng)造了新的條件，可用于制造臺式化電子加速器和產(chǎn)生超快X射線源，對蛋白質(zhì)原子運動探測成像，研制激光質(zhì)子刀以治療癌癥、以及產(chǎn)生反物質(zhì)、研究天體物理和宇宙起源，將來還可能用于真空結(jié)構(gòu)和暗物質(zhì)探測等。

　　據(jù)介紹，羲和激光裝置的項目法人單位為中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所，共建單位為上海科技大學(xué)，于2020年12月28日通過項目驗收。項目建設(shè)內(nèi)容主要包括：一臺10拍瓦（1拍瓦=1千萬億瓦）超強超短激光系統(tǒng)，同時具備高重復(fù)頻率的1拍瓦級激光輸出束線；極端條件材料科學(xué)研究平臺、超快亞原子物理研究平臺、超快化學(xué)與大分子動力學(xué)研究平臺等3個用戶實驗終端；科研輔助設(shè)施和數(shù)據(jù)中心；一幢裝置實驗大樓。裝置定位面向國內(nèi)外高校、科研機構(gòu)和企業(yè)開放，并提供先進的物質(zhì)科學(xué)與生命科學(xué)研究手段。

　　冷雨欣表示，2016年，在上海市和浦東新區(qū)等的支持下，羲和激光裝置實現(xiàn)了“當年立項、當年開工”的“上海速度”。

　　項目建設(shè)期間，2017年10月24日，該裝置實現(xiàn)10.3拍瓦激光放大輸出，在國際上首次實現(xiàn)300焦耳以上能量水平的寬帶激光放大輸出，脈沖壓縮后寬度21飛秒。2019年12月7日，裝置獲得激光中心波長為800納米，輸出能量404焦耳，重復(fù)頻率3分鐘/發(fā)次（較設(shè)計指標提升40倍），壓縮后脈沖寬度達24.6fs，平均峰值功率11.7拍瓦（最高峰值功率12.9拍瓦）的結(jié)果，再次打破世界紀錄。實驗平臺在測試階段，已在拓撲態(tài)貢獻的高次諧波產(chǎn)生研究、阿秒電子動力學(xué)研究等方面取得重要進展。同時，依托該項目，上海光機所成功研制國際最大口徑鈦寶石晶體等核心器件。

　　項目取得的成果，被《科學(xué)》（Science）雜志文章列舉為國際上自1960年第一臺激光器發(fā)明以來在激光脈沖功率提升方面的取得第五大里程碑式進展；入選“十八大”以來中國科學(xué)院“20項標志性重大成果”；入選中國科學(xué)院“率先行動”計劃第一階段重大科技成果及標志性進展。

　　澎湃新聞了解到，2021年，上海超強超短激光實驗裝置已初步開放，并供國內(nèi)相關(guān)課題組完成物理實驗；質(zhì)子加速、電子加速等實驗正在進行中。

　　同時，上海光機所的科研團隊正朝著100拍瓦激光裝置的目標發(fā)起挑戰(zhàn)?！犊茖W(xué)》雜志對此評價稱，“這會是一個全新的物理學(xué)”“中國團隊正切實引領(lǐng)通往100拍瓦激光的道路”。

       近日正式發(fā)布的《中共中央 國務(wù)院關(guān)于支持浦東新區(qū)高水平改革開放打造社會主義現(xiàn)代化建設(shè)引領(lǐng)區(qū)的意見》賦予浦東新區(qū)改革開放新的重大任務(wù)。自主創(chuàng)新發(fā)展的時代標桿，是《意見》對浦東提出的戰(zhàn)略定位之一。

　　浦東新區(qū)科技和經(jīng)濟委員會主任徐欣就此接受澎湃新聞等媒體采訪時表示，當好科技創(chuàng)新的國家隊是浦東義不容辭的使命責(zé)任。在落實引領(lǐng)區(qū)意見的過程中，浦東將進一步夯實基礎(chǔ)研究的厚度?！澳壳捌謻|建成和在建的大科學(xué)設(shè)施總共有10個，這些大科學(xué)設(shè)施是開展基礎(chǔ)研究的重要載體平臺。浦東將依托國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施等載體，打造以國家戰(zhàn)略科技力量為主導(dǎo)的引領(lǐng)性科技創(chuàng)新組團，前瞻布局科技創(chuàng)新方向，聚力突破核心領(lǐng)域，推動信息技術(shù)、物質(zhì)科學(xué)、空間技術(shù)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)研究，努力產(chǎn)出一批世界級科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。”他說道。

　　黑洞里面究竟是什么樣的情況？宇宙線是怎么來的？最強的光能多強？反物質(zhì)都去哪兒了？瞄準一系列前瞻性、關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，超強超短激光實驗裝置將給出更多答案。

　　冷雨欣認為，引領(lǐng)區(qū)意見對于開展前沿科研而言幫助很大：首先是科研體制機制上有望帶來新的突破，有助于國際優(yōu)秀人才的引進和落地。同時，也有助于打破行政壁壘，使得科研人員能夠更加便利地在浦東第一線開展前沿科研活動。在前沿研究方面，上海超強超短激光實驗裝置將進一步融入浦東大科學(xué)集群中，適時向全球科學(xué)界、企業(yè)界開放。

　　他表示，希望基于上海超強超短激光實驗裝置等大科學(xué)裝置，吸引外國科學(xué)家來中國開展前沿實驗工作，推動大科學(xué)裝置和基礎(chǔ)研究學(xué)科等的發(fā)展。同時，也希望企業(yè)利用該裝置開展前沿的物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)等方面研究，帶動企業(yè)科研發(fā)展。“我們也熱切期待企業(yè)從各個角度，特別是國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場的角度提出需求，牽引大科學(xué)裝置和基礎(chǔ)研究學(xué)科的創(chuàng)新發(fā)展，從而切實為國家重大需求和國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場提供中國解決方案?！保ㄓ浾撸簵钛?/p>

　　轉(zhuǎn)自：澎湃新聞

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