「率先行動」成果展展項之超強超短激光究竟是個啥？

作者：王文鵬（中國科學院上海光學精密機械研究所）

編者按

中國科學院是伴隨著新中國成立而誕生的我國自然科學最高學術機構，建院以來，她為我國科技進步、經濟社會發展和國家安全做出了不可替代的重要貢獻：

從「兩彈一星」到載人航天，從成功研製我國第一台計算機到曙光超算、龍芯晶元，從世界首例人工合成牛胰島素到首次證明誘導多能幹細胞，從鐵基超導刷新紀錄到量子通信，從北京正負電子對撞機到建成一系列大科學裝置……

在實施創新驅動發展戰略、建設創新型國家的新時期，中國科學院啟動實施了"率先行動"計劃，目前已經取得了一系列不錯的成果。

今年下半年，這些成果將以實體展項形式呈現在大家面前，在開展之前，讓我們先以文為媒，在大院里提前了解一下這些高大上的科學成果吧。

許多人知道X光，也聽說過紅外光，有人使用過激光治療，也有人擔心紫外光的灼燒，但是，你知道什麼是超強超短激光嗎？它是一種什麼光？從哪兒來？有多亮？超強超短激光可以像醫學激光一樣為我們提供服務嗎？

下面就讓我們一起來了解一下。

超強超短激光是什麼？

超強超短激光其實就是峰值功率大於1太瓦(10^12瓦），脈衝寬度小於100 飛秒(10^-15秒)的激光，它的出現為人類提供了前所未有的極端物理條件與全新實驗手段[1,2]。

至此，自然界中只有在恆星內部或是黑洞邊緣才能找到的高能量密度、甚至超高能量密度的極端條件已經能在實驗室內被製造出來。

目前，激光經聚焦達到的最高光強已達到了10^22瓦/平方厘米 量級[7]。此外，這種超強光場在時間範疇又是極端超快的，在遠紫外線（XUV）波段，激光脈衝的超快時間尺度已經突破飛秒（fs，10^-15秒）進入了阿秒（as，10^-18秒）新範疇。

這麼大的光強到底是什麼概念呢？

要知道，自然界最強的光強，如宇宙中伽瑪射線暴，其對應的光強才10^20瓦/平方厘米 量級，而光強10^21瓦/平方厘米 約等於地球接收到的太陽總輻射聚焦到頭髮絲粗細的尺度。

除此之外更為重要的是，目前超強超短激光正處於取得重大科學技術突破和開拓重大應用的關鍵階段，未來五年左右激光的聚焦強度可能超過10^23 瓦/平方厘米 甚至更高的超高量級，同時激光脈衝的時域對比度可能達到10^9-12。

超強超短激光的研究與發展是國際激光高技術的最新發展前沿與競爭重點領域，正如《Science》專文指出，「這項工作將影響每一項研究，從聚變到天體物理。」[8]

超強超短激光的國際發展趨勢

超強超短激光領域如今正處於取得重大突破與開拓應用的關鍵階段，國際上正在大力發展超強激光光源以及依託其的前沿科技創新平台。

歐盟10多個國家的近40個研究院所和科研機構聯合提出Extreme Light Infrastructure（ELI），目標是發展峰值功率200拍瓦（PW，10^15瓦）級超強超短激光裝置，並計劃於2017年建成10拍瓦超強超短激光用戶裝置，開創激光與物質相互作用研究與應用的新時代，該計劃已被納入歐盟未來大科學裝置發展路線圖[9-11]。

ELI的主要科學目標是：面向100GeV的激光加速、面向Schwinger場的真空結構研究、1-10keV相干X射線產生與阿秒科學研究以及光核物理研究，發展10拍瓦乃至更高量級的大型超強超短激光裝置。

ELI下設四大研究裝置，分別為捷克布拉格ELI-Beamlines Facility，匈牙利賽格德ELI-Attosecond Facility，羅馬尼亞默古雷萊的 ELI-Nuclear Physics Facility，以及尚未定址的ELI-Ultrra High Field Facility。

2012年以來，ELI計劃陸續啟動了3個子項目的研究，投入經費8.5億歐元，計劃於2017年研製數台10拍瓦超強超短激光並建成用戶裝置，同時為下一步研製200拍瓦級超強激光大科學裝置打下基礎。

除了歐盟的ELI計劃外，英國和法國也正緊鑼密鼓地開展各自10拍瓦級超強超短激光裝置的研製工作，俄、美、德等國也紛紛提出了各自的拍瓦、10拍瓦乃至100拍瓦級超強超短激光裝置研究計劃。

英國盧瑟福實驗室中央激光裝置（CLF）是一個多套激光束線的綜合平台，而作為其核心裝置的英國盧瑟福實驗室Vulcan激光裝置，計劃在6年內投入2500萬英鎊，採用OPCPA技術將其輸出脈衝峰值功率由拍瓦量級升級到10拍瓦量級，單脈衝能量300焦耳，脈寬30飛秒，聚焦光強達到10^23瓦/平方厘米[15]。

法國的apollon裝置位於巴黎郊區，由法國國家科學研究中心（CNRS）、巴黎綜合理工大學和法國高等科技學院設計建造，計劃於2015至2016年間建成[16]。該裝置基於OPCPA前端組合鈦寶石放大器結構，擬實現300焦耳放大脈衝輸出，壓縮後可獲得150焦耳、15飛秒、10拍瓦激光脈衝，聚焦光強超過2×10^22瓦/平方厘米，時間對比度大於10^12。

俄羅斯應用物理研究所主導規劃的Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS)同樣計劃實現前所未有的0.2艾瓦（200拍瓦）峰值功率，設計中的激光裝置包含12束15拍瓦、25飛秒超強超短激光，利用相干合成技術實現180拍瓦輸出，最高可能達到200拍瓦[17]。同時，裝置還設計有一束100MeV（兆伏特）電子直線加速器和一束1拍瓦、1赫茲-10千赫茲重複頻率的探針光，擬開展高能物理強場物理相關未知現象和真空時空結構探索的研究工作

而美國的Lawrence Berkeley National Laboratory正在實行BELLA計劃，其內容是首先與法國公司合作，通過購置商品化的40焦耳、40飛秒、1赫茲的拍瓦級重複頻率超強超短激光系統[18]，擬開展激光等離子體加速電子研究。

其目標是產生小型化（米級）的10 GeV量級的高性能電子用於材料科學等前沿應用研究，並為未來發展基於更高量級超強超短激光的1TeV電子束級聯（100級）激光等離子體加速器的電子正電子對撞機計劃提供研究基礎。

德國Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf研究中心建立的ELBE裝置除了電子加速器束線以外，同時設立了超強超短激光、自由電子激光器（FEL）、X射線和中子束線等綜合性的束線平台[19]。

捷克首都布拉格的ELI-Beamlines Facility

超強超短激光在我國的發展現狀

這麼厲害的一項前沿科技，我們中國當然不會甘於人後，上海光機所強場激光物理國家重點實驗室在2007年就成功研製的創當時世界最高功率（0.89拍瓦）並最短脈寬（29.0飛秒）飛秒拍瓦級CPA 激光系統[20]。

2013年，上述團隊又進一步發明精密時空操控、級聯脈衝凈化等新技術，有效解決高增益放大並超高時間對比度等關鍵科學問題，並突破輸出激光脈衝達到超高時間對比度(10^11)的世界性技術難題，實現2.0PW的超高對比度激光脈衝輸出。

2014年年底，通過優化注入等方法，團隊進一步發展抑制寄生振蕩的新方法，基於直徑150毫米鈦寶石晶體，實現192.3焦耳放大輸出，為當時國際上輸出能量最高的800納米寬頻激光脈衝。

2016年，上海光機所在張江科創中心採用基於大口徑鈦寶石晶體的啁啾脈衝放大（CPA）技術路線獲得5.4拍瓦峰值功率輸出，這是目前已知的國際最高激光脈衝峰值功率。為實現10拍瓦激光脈衝輸出的研製目標奠定了堅實的技術基礎。

為了攻克10拍瓦激光峰值功率重大科技目標，該實驗室提出了以高對比度啁啾脈衝放大鏈和光學參量啁啾脈衝終端放大器相結合的混合放大器方案為總體技術路線。

2013年首次在實驗上驗證了CPA/OPCPA混合放大器方案實現0.61拍瓦激光脈衝輸出[21]，2014年10月又進一步將輸出能力升級到1拍瓦[22]。這是目前國際上基於OPCPA放大器獲得的最高激光脈衝能量和最高峰值功率，驗證了CPA/OPCPA混合放大器作為10拍瓦級超強超短激光裝置總體技術路線的可行性。

上海超強超短激光實驗裝置

超強超短激光有什麼用？

超強超短激光研究推動著激光科學、原子分子物理、等離子體物理、高能物理與核物理等一批基礎與前沿交叉學科的開拓和發展。

同時這也將為相關戰略高技術領域的創新發展，如高亮度新波段相干光源，超高梯度高能粒子加速器、強場激光核醫學、聚變能源、精密測量等提供原理依據與科學基礎，對其有著不可替代的強大推動作用。

這裡，給您舉幾個例子吧：

研究反物質

每一種粒子都有一個與之相對的反粒子。

理論認為，反物質只要和正物質相遇就會湮滅。因此難以產生和保存，目前科學家很難在宇宙中找到反物質，轉而在實驗室的極端條件下嘗試獲取，這也成為物理學領域的熱點和難點。

2016年，中科院上海光機所在國內首次成功利用超強超短激光產生一種反物質——超快正電子源，這一發現未來將在材料的無損探測、激光碟機動正負電子對撞機、癌症診斷技術研發等領域得到重大應用，併入選兩院院士評選的2016年度「中國十大科技進展新聞」。[23]

微型自由電子激光器

超強超短激光碟機動的小型化自由電子激光新概念：

超強超短激光與一根「頭髮絲」尺寸的微金屬絲相互作用，在產生高能電子束的同時，巧妙地利用電荷分離效應構建了微型、瞬態的電子波盪器，獲得了效率優於傳統方案10倍以上的強太赫茲輻射，也為小型化、低成本自由電子激光器提出全新方案。[24]

尾波場電子加速研究

中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室於2011年7月15日首次利用電離注入的全光碟機動雙尾波場級聯電子加速器方案，成功實現了電子注入與電子加速的兩個基本物理過程的分離與控制。

該實驗獲得了能量近GeV的准單能電子束和 187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果[25]。

這將是未來實現高性能10 GeV量級甚至更高能的單能電子束的可行方案，特別是對台式化X射線自由電子激光等領域的發展具有重要的推動意義。

尾波場電子加速實驗裝置

質子成像

質子照相作為一種密度診斷手段，可利用微分截止和散射來顯示樣本靜態或動態的密度變化，是目前探測等離子體中電磁場的唯一方法。

在過去的幾年中，質子照相技術已經得到廣泛應用，在實驗中成功探測到瞬時場的數據。

中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室升級的拍瓦激光系統已經可以成功產生10MeV以上的質子束，成功利用飛秒拍瓦激光系統對蜻蜓進行了質子成像。

這也是拍瓦激光系統第一次通過縮小物距實現了蜻蜓的清晰成像[26]，獲得了蜻蜓的等比例整體成像，同時解析度達到微米量級。

質子成像實驗，（a）蜻蜓樣本，（b）PW激光，（c）第一層（d）第二層RCF上蜻蜓成像

成像結果，蜻蜓（a）腳部、（b）尾巴、（c）頭部和（d）翅膀的細微成像，（e）尾巴放大

尋找暗物質

「暗物質」被比作「籠罩在21世紀物理學天空中的烏雲」。它由萬有引力定律證實存在，卻從未被直接探測到。科學家估算，宇宙中包含5％的普通物質，其餘95％是看不見的暗物質和暗能量。揭開暗物質之謎將推動人類解釋宇宙的存在和演化。

軸子，是暗物質的重要候選者之一。由於它幾乎不和其他物質相互作用，至今沒有被觀測到。但超強激光提供的超強電磁場有可能成為探測軸子的科學手段。

探究真空奧秘

真空，真的空無一物嗎？

在經典物理概念中，它確實是空的，但量子電動力學(QED)預言，真空不空，量子漲落無處不在，虛粒子對不斷產生、消失。

真空的神秘特性是QED最令人激動的預言，未來的激光強度將高達10^23-25瓦/平方厘米，超強的光場可以激發真空的QED特性，使真空具備物質屬性！

超強超短激光與高能光子源結合，將使人類第一次擁有窺視真空奧秘的機會，其中任何一個發現，都將是歷史性的。

激光引雷研究

利用超強超短激光開展雷電控制應用研究受到世界上許多國家的高度重視，中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室是國內最早開展相關研究為數不多的幾家單位之一。

該實驗室的研究人員基於以前的研究基礎，實驗上首次觀察到了激光誘導電暈放電現象並對這一發現展開了深入的研究。

這一成果為深入理解高壓電場沿著光絲的發展和演化過程以至於最終實現激光控制雷電提供了重要的科學依據。

（a）高壓電場空氣擊穿放電，（b）激光誘導高壓電場空氣擊穿放電，（c）激光誘導高壓電場電暈放電，（d）激光引雷概念[27]

超強超短激光光源的建立與發展，及其廣泛的前沿應用具有重要意義。

通過在極端物理條件下對物質結構、運動和相互作用進行研究可以使得人類對客觀世界規律的認識更加深入和系統。

可見，超強超短激光光源的建立與發展，及其廣泛的前沿應用具有重要意義。

為保持我國在該領域的領先地位，引領相關學科和技術的發展，科學家們正在積極努力、不斷前行。

參考文獻：

1.M. D. Perry, G. Mourou. Science, 1994, 264: 917

2.H. Kiriyama, M. Mori et al. IEEE J. Sel. Top. Quant., 2015, 21: 1601118

3.M. Aoyama, K. Yamakawa et al. Opt. Lett., 2003 28:1594

4.Z. Wang, C. Liu et al. Opt. Lett. 2014, 36:3194

5.T. Yu, S. Lee et al. Opt. Express, 2012 20:10807

6.Y. Chu, X. Liang et al. Opt. Express, 2013, 21:29231

7.S.-W. Bahk, P. Rousseau et al. Opt. Lett., 2004, 29:2837-2839; http://cuos.engin.umich.edu/researchgroups/hfs/facilities/hercules-petawatt-laser

8.Robert F. Service. Science, 2003, 301: 154

9.G. Mourou, T. Tajima. Optics and Photonics News, 2011, 22:47

10.D. Powell. Nature, 2013, 500:264

11.http://eli-laser.eu

12.www.eli-beams.eu

13.www.eli-hu.hu

14.www.eli-np.ro

15.C Hernandez-Gomez , S. Blake et al. Journal of Physics: Conference Series, 2010, 244:032006

16.C. Blanc, D. Papadopoulos et al. Report at PAL Laserlab Meeting, 24/09/2013

19.http://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=145

20.X. Liang, Y. Leng et al. Opt. Express, 2007, 15:15335

21.L. Xu, L. Yu et al. Opt. Lett., 2013, 38:4837

22.L. Yu, X. Liang et al. Opt. Lett., 2015, 40:3412

23.PHYSICS OF PLASMAS 23, 033109 (2016)

24.Nature Photonics Volume:11,242–246 (2017)

25.J. Liu, C. Xia et al. Phys. Rev. Lett., 2011, 107:035001

26.W. Wang, B. Shen, et al. AIP Advances, 2015, 5:107214

27.J. Diels, R. Bernstein et al. Scientific American, 1997, 277: 50

28.Thomas M. Baer, Nicholas P. Bigelow. Nature, 2010, 463:26-32

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