書寫皮秒拍瓦時代激光科技新篇章︱走近科學
本欄目由“世界科學”和“賽先生”聯(lián)合出品
朱健強研究員（右）
朱健強研究員領銜完成的“高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)”項目摘得2018年度上?？萍歼M步一等獎，對這一足以顯示國之重器價值的重大科學工程項目，媒體做了很多報道，這些報道也勾起了我18年前對朱健強做啟明星采訪的美好回憶。
當時37歲的朱健強受命出任中科院上海光學精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）常務副所長。記得采訪時更多是從作為掌門人的他如何根據(jù)中科院知識創(chuàng)新工程的總體要求,制定光機所未來5年的發(fā)展戰(zhàn)略及相應的人才戰(zhàn)略，帶領這個有彪炳業(yè)績的研究大所邁向新的輝煌。而對于他本人的科研工作及亮點未多著筆墨。
所以，當上海市科委的重大科研工作科普化項目邀我對朱健強等完成的這一成果作科普化解讀時，我欣然答應，因為這使我有機會再度和朱老師見面，聽他介紹這項工作的來龍去脈及近些年來的新進展，彌補2002年那次啟明星訪問的缺憾。
什么是皮秒拍瓦激光系統(tǒng)？
從概念到樣機，躋身國際競爭
朱健強說，縱觀由光柵對壓縮脈沖的技術演進到最終導致激光系統(tǒng)問世可以清晰看出，一個系統(tǒng)從概念提出到制備上可實現(xiàn)到最后可用、好用要克服許多技術障礙，其中尤為重要的是關鍵元器件的研發(fā)制備：
“每項技術進步都是多種技術集成的結果，這其中科學思想、概念的提出起了牽引作用，但同樣重要的是要有人去解決制作中的難點，克服一個個障礙才能真正帶來革命性的改變”。
回過頭來看，圍繞高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)建設的這場國際科技競賽中，中國科學家不但沒有缺席，而且在若干重要方向和領域做到了國際前沿水平。
隨著朱健強的回溯，我們可以大致梳理出中國科學家在這一國際科技競賽中的作為：上海光機所是從20世紀90年代初就有這樣的想法并開始進入這個領域，從演示系統(tǒng)一直做到系統(tǒng)方案完成。
當年（1991年），朱健強剛到光機所攻讀博士，他的兩位導師之一的陳紹和研究員（另一位導師是鄧錫銘院士）那時就提出激光放大技術的想法，這比LLNL的人都早。朱健強至今記得陳老師當時興沖沖來提他的想法的興奮神情：
“陳老師提出的這個科學構想后就作為我的博士課題來做實驗。我在看文獻時知道莫羅早在80年代就提出用光纖去產(chǎn)生寬帶脈沖的啁啾方案，但實驗過程中產(chǎn)生的很多非線性高階效應，導致脈沖壓縮后信噪比很差而無法實用。”
為解決光纖中非線性過程所產(chǎn)生的信噪比退化難題，朱健強嘗試用負反饋產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)鎖模的皮秒脈沖，開展展寬、放大和壓縮實驗，走通了基本原理的判斷。后來隨著激光技術發(fā)展，寬帶脈沖種子源也得以解決，這樣就進入到實驗和工程階段。上海光機所也因此成為當時領域內(nèi)國際同行關注的一個有實力的研究團隊。
2020年1月14日訪問美國羅徹斯特大學激光力學能實驗室
在“快點火”研究中占一席之地
國內(nèi)疫情狀況
回顧整個項目近30年的實施推進過程，朱健強感受最深的是其中的核心器件——大尺寸（米級）光柵器件的自主研制，這種脈沖展寬壓縮過程中必不可少的核心器件美國對我們是禁運的，所以只能靠自己研發(fā)。
在國家863計劃部署支持下，這個由上海光機所牽頭，在清華大學、中國科技大學（簡稱中科大）、蘇州大學等機構的通力合作下實施的核心器件研發(fā)項目只用了短短幾年（2007—2010年）就取得了突破性進展，包括了光柵制作涉及理論計算（清華大學為主），大口徑涂膜和曝光工藝（蘇州大學為主），光柵基板（上海光機所為主）和最終的離子刻蝕和清洗（中科大為主）：
“這種優(yōu)勢互補的合作非常可貴且重要。關鍵是要有人，要有點石成金的戰(zhàn)略思維和組合能力。力量分散做不成大事。另外，如果能從國外購買，我們的研發(fā)能力也無從建立起來。從這個意義上講，禁運催生、促進了我們內(nèi)生的創(chuàng)新動力和能力。那時的人都憋著一股勁，就想做這件事。而且一旦我們痛下決心干，我們中國人一定能做好?！?/p>
中國同行工作獲諾獎得主引用
話題回到高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)的進展中來。朱健強介紹，
信噪比達到能開展實質(zhì)性工作的水平；
中子產(chǎn)率獲得率達到國際最高水平；
快點火研究也取得了突破性進展：激光聚變研究團隊在上海光機所神光Ⅱ升級SGⅡU上創(chuàng)新性地采用間接驅動打靶方式對靶丸進行預壓縮，克服了傳統(tǒng)快點火用激光直接燒蝕靶丸的諸多缺陷，獲得的內(nèi)爆中子產(chǎn)額增加了280倍，達到同等能量條件下的最高水平，顯著地提升了快點火的能量耦合效率，即在納秒時間尺度內(nèi)實現(xiàn)了高溫點火。這個過程原來的方式相當于柴油發(fā)動機，在壓縮汽化燃料的同時實現(xiàn)升溫至自燃，現(xiàn)在快點火相當于汽油機，其中的皮秒拍瓦相當于火花塞。快點火把高溫高密度兩者互逆的難題給解耦了。
莫羅本人和諾貝爾基金會網(wǎng)站在刊登的2018年諾貝爾物理學獎成果介紹中都引用了中國同行的工作，朱健強認為這也代表了國際頂尖科學家對中國同行工作的激賞和認可。
而光學領域在21世紀的18年里6次獲得諾獎也使得飛秒、皮秒激光加速走向工業(yè)、臨床醫(yī)療等方面的應用。
激光科技造福民生前景無限
目前醫(yī)療應用中最有效的是激光外科，如治療近視，無論老花、近視用飛秒激光做視力矯正，都有望取代眼鏡。這在國外已經(jīng)很實用了。原先的激光治療就是短脈沖把近視變成視力正常，現(xiàn)在發(fā)展到不僅可矯正視力，而且能解決眼睛老花，其原理是把成像范圍拓寬了。
美容領域的潤膚亮膚、黑色素祛除、文身去除等早就用了激光技術。
還有文物修復領域從原來的化學清除現(xiàn)在可以做到無損清除。激光能有效去除文物表面的污漬，幫助恢復到物品的原始狀態(tài)?！?/p>
努力實現(xiàn)幾代物理學家的聚變能源夢
采訪臨近尾聲。采訪提綱中最后一個問題使得話題再次回到高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)，即隨著高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)物理目標的實現(xiàn)可以帶動的工作很多，接下來朱健強和他的團隊最想做的是什么。
可能這個問題正對上朱健強近期工作的興奮點，所以馬上引出他以下的介紹：正是我們前期的這些工作催生了中國科學院的一項先導A類計劃。
所謂先導A類計劃是中國科學院前些年開始推出的通過對遴選的若干重大項目給予重點支持，使得我國在該領域走向世界前沿。這一先導計劃的主要思想源于張杰院士1997年提出的科學構想，但一直無法通過實驗來驗證。
2017年在科學院的一個場合下，兩位科學家不期而遇聊到希望用一種簡單有效的解決方案來實現(xiàn)點火途徑，最終使聚變能源得以實現(xiàn)這個話題。共同的學術興趣和追求，特別是高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)和“神光Ⅱ升級裝置”已具備的能量，立即點燃雙方的激情，決意共同推進快點火研究。
2020年4月25日，先導物理實驗團隊在實驗現(xiàn)場合影，中間為張杰院士
在中科院先導計劃支持下的這一中國快點火方案2019年提出后立即得到國際同行的高度關注，并很快與國際同行簽訂了一項以我國為主的“高能量密度物理”的大科學計劃，參加者有英、美、日、法、捷克等國家：
“這個國際大科學計劃的平臺在我們光機所，其愿景是實現(xiàn)點火目標及實現(xiàn)途徑，為聚變能源實現(xiàn)做鋪墊。這也是幾代物理學家的夙愿?！?/span>
從1991年進入上海光機所師從陳紹和、鄧錫銘老師進入高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)研發(fā)領域到2019年5月摘取上?？萍歼M步一等獎桂冠，從1993年研制出高能激光系統(tǒng)樣機到20年后主持研制出我國首個快點火實驗裝置——高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)……朱健強是我國激光技術不斷發(fā)展的見證人和引領者。我們也期待進入皮秒、拍瓦時代的中國激光科技能書寫更恢宏的篇章。
“世界科學”聯(lián)合“賽先生”等微信公號，在上海市科學技術委員會資助下，開辟“走近科學”欄目，對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行科普化報道。
本篇圍繞2018年上海市科技進步一等獎——“高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)”項目，該獎項由中科院上海光學精密機械研究所朱健強領銜的團隊獲得。
