“5拍瓦”:照亮超强超短激光科技(science and te

2019-08-28 作者:凤凰彩票登陆   |   浏览(50)

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它能给高能粒子加速器的发展,带来革命性推动。现在的粒子加速器往往需要占用一间十几米长的房间,而激光加速器则可使加速器的体积缩小到可以放置在写字台上。“现在开展的质子刀治疗,需要造一座专门医院,未来可能质子刀会像CT一样,成为医院中的一台常规设备。”上海光机所强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣研究员说,这是因为产生高能质子的加速器变成一台电脑大小的仪器了。

入列上海科创中心首批重大项目

今年三八国际妇女节的早晨,中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室副主任梁晓燕接到了同事们的道喜微信,她获得了“上海市三八红旗手标兵”称号。短暂的高兴之后,梁晓燕又投入到了紧张的工作中。在所长李儒新院士的带领下,实验室正在研制100拍瓦级激光装置,前期进展也在按序推进。

英国《自然》杂志曾经在2010年预测未来十年重要科学领域的发展方向。

在国家发改委和上海市的共同支持下,以10拍瓦激光装置为核心的上海超强超短激光实验装置的研制已被纳入上海建设具有全球影响力的科创中心、打造世界级重大科技基础设施集群的首批重大项目,也将是上海张江综合性国家科学中心的核心平台之一。

新民晚报见习记者 郜阳

(原载于《文汇报》2016年09月09日 01版)

中科院团队在国际竞赛中脱颖而出

结缘激光 发现物理之美

还有一个技术瓶颈是用于激光放大的晶体材料。要达到10拍瓦功率,就需要制备200毫米以上直径的钛宝石晶体,而目前这样的晶体还没人能做出来。目前要达到5拍瓦功率,所使用的是150毫米直径的钛宝石晶体。上海光机所2014年研发成功这种口径的钛宝石晶体,目前正在研发200毫米口径的钛宝石晶体。

2013年,上海光机所团队在世界上率先研制成功2拍瓦的激光放大系统,为当时国际最高峰值功率。去年年底,该团队研制成功5拍瓦激光放大技术验证系统。“当功率高到一定程度,再提高哪怕一点点,都相当困难。”装置主要研发人员、上海光机所梁晓燕研究员说,突破的关键在于如何将更高能量传递给输出的超短的激光脉冲。

“每个人都有自己的岗位,我把工作放在了第一位。好在家人都特别理解、支持我。”对于家庭,梁晓燕心怀愧疚,“在上海超强超短激光实验装置实现10拍瓦脉冲输出之前,好几个月我们都住在实验室里,每天都要干到凌晨两三点。”儿子上小学时,梁晓燕把钥匙挂在了他脖子上,几乎没有接送过;大学新生入学时,也是他拎着行李独自前去。“幸好,他们也都觉得,把工作做好是职责必须。”

开辟“超快”物理研究平台

上海科技大学物质学院副院长、特聘教授刘志说,装置的作用可以发挥多大,与用户息息相关,他希望未来能有更多科学家通过这个平台做出一流科研,去发现这种超级光源的更多用途。

超强超短激光,是人类目前已知的最亮光源,其发展已经成为国际科技竞争重大前沿之一,利用这种特殊的激光,科学家们可以对蛋白质中原子运动探测成像,揭示生命的奥秘;或研发激光质子刀,进行癌症治疗;还可以用于产生反物质,一探天体物理和宇宙起源……去年三位诺贝尔物理学奖得主的获奖理由,正是用于激光物理领域的突破性发明。

科研人员面对的第一个难题,就是寄生振荡。当其他光作为能量注入晶体时,总会有些捣乱的光子,它们会在晶体里不按规定路线奔跑,并不断放大,消耗掉越来越多的能量。科研人员想出办法,及时消除了这些捣乱的光子。得到高效放大的激光脉冲再被送入真空压缩罐,压缩到24飞秒,达到5拍瓦的超高功率。

据悉,该激光装置采用基于大口径钛宝石晶体的啁啾脉冲放大技术路线。项目研究团队创新发展了大口径高增益CPA放大器的主动寄生振荡抑制技术和激光光谱色散的精密控制补偿技术等,国际上首次实现了200焦耳以上能量水平的宽带激光放大输出。主放大器输出的数纳秒级啁啾脉冲经过采用大口径光栅的脉冲压缩器压缩至亚30飞秒脉冲,压缩后激光脉冲的峰值功率最高可达5.3拍瓦,这是目前已知的国际最高激光脉冲峰值功率。SULF继续升级,其输出的各种波段的辐射脉冲,其时间宽度会从飞秒级,提高到阿秒(10的负18次方秒)级、甚至仄秒(10的负21次方秒)级,将开辟光波电子学与信息新技术、超快光核物理研究的新学科领域。

2003年刚入所时,超强超短激光实验装置输出瞬时功率的最高峰值是0.1拍瓦,这在当时已是了不起的成就。次年,梁晓燕和团队一起向着1拍瓦的目标努力,并于2007年成功实现0.89拍瓦激光脉冲输出。再后来,团队迈进的步伐越来越快——团队研究的“飞秒拍瓦级超强超短钛宝石激光技术及其重要应用”获2012年上海市科技进步一等奖;2016年,上海建设具有全球影响力的科创中心,打造世界重大科技基础设施集群的首批重大项目——由李儒新院士领导的上海超强超短激光实验装置在浦东张江开始建设,梁晓燕担任装置副总工程师。2017年10月,团队成功实现了10拍瓦激光放大输出——这是目前已知的世界最高激光脉冲峰值功率,在国际同类研究中处于领先水平。

万级超净实验室里,各种各样的反射、滤光玻璃,以及不锈钢真空管道、压缩器,放满了实验桌。如果不打开光源,没有任何连接的玻璃,看起来似乎是随意摆放的,其实它们的所有摆放位置都经过十分精确的调试。

国际上多个国家投入巨资大力发展超强超短激光光源,以及依托其的前沿科技创新平台,这一领域的国际竞争非常激烈。2012年,欧盟投资8.5亿欧元,计划于2018年建成10拍瓦的激光用户装置,法国和英国也正在研制各自的10拍瓦激光装置,美、俄、日等则提出了百拍瓦级超强超短激光装置的研究设想。

“我认为自己是一个很普通的科研工作者,我想做的,就是把自己守护的岗位做到最好。”梁晓燕说。

换上白大褂,套上鞋套和头套,经过风淋房,记者走进位于上海科技大学教学楼的中科院上海光机所-上科大超强激光光源联合实验室。

超强超短激光的发展已经成为国际科技竞争重大前沿领域之一,建设SULF这一可望达到国际领先水平的大科学设施,符合国家重大需求、上海科创中心建设,具有重要的社会效益。中科院上海分院院长、上海科技大学党委书记朱志远表示,未来数年,上海张江综合性国家科学中心超强超短激光实验装置将与上海光源、软X射线自由电子激光一起,组成张江“超级光源”,成为照亮科学前沿、探索技术高地的一大中流砥柱,也为上海建设具有全球影响力的科创中心提供有力支撑。

不断突破 找寻最亮光源

未来数年,上海张江综合性国家科学中心超强超短激光实验装置将与上海光源、软X射线自由电子激光一起,组成张江“超级光源”,成为照亮科学前沿、探索技术高地的一大中流砥柱,也为上海建设具有全球影响力的科创中心提供有力支撑。图为在实验室内,由各种透镜设备组成的光路。叶辰亮摄

据悉,科学家通过该装置输出的超强超短激光,峰值功率可达5. 3拍瓦,是目前已知的国际最高激光脉冲峰值功率,瞬间爆发的功率相当于全世界电网平均功率的2000多倍,对应的极端物理条件通常只有在恒星内部或黑洞边缘才能产生。

2003年,准备回国的梁晓燕关注到中科院上海光机所由徐至展院士领导的超强超短激光国家重点实验室,从上世纪60年代起就一直致力于超强超短激光的技术研究,恰巧上海光机所也正求贤若渴,于是梁晓燕加盟这一研究团队。

去年年底,该团队研制成功5拍瓦激光放大技术验证系统。“当功率高到一定程度,再提高哪怕一点点,都相当困难。”装置主要研发人员、上海光机所梁晓燕研究员说,突破的关键在于如何将更高能量传递给输出的激光脉冲。

1拍瓦相当于全球电网平均功率的500倍。峰值功率1拍瓦的激光,其光强就相当于将照到地球上的所有太阳能量聚焦到一根头发丝上,这是人类已知的最高光强光源。

研制的过程并不是一帆风顺的,梁晓燕和团队“五加二”“白加黑”地向目标冲刺。要知道,当功率高到一定程度,哪怕再提高一点点,都极为困难。“突破的关键在于如何更高能量地传递输出的超短激光脉冲。”梁晓燕透露。上海超强超短激光实验装置被命名为“羲和”,羲和是《山海经》中记载的生下10个太阳的女神。而两年前实现的10拍瓦激光输出,恰相当于在极短瞬间10个太阳辐射到地球上的总功率,汇聚在一根头发丝上。

如果把峰值功率1拍瓦的激光聚焦到10微米的大小,其光强就相当于将照到地球上的所有太阳能量聚焦到一根头发丝上,这是人类已知的最高光强光源。未来数年,SULF将与上海光源、软X射线自由电子激光一起,组成张江“超级光源”,成为照亮科学前沿、探索技术高地的一大中流砥柱,也为上海建设具有全球影响力的科创中心提供有力支撑。

中科院上海光机所上海科技大学超强激光光源联合实验室传出喜讯,这里的科研团队在张江综合性国家科学中心超强超短激光实验装置上,成功实现了5拍瓦激光脉冲输出,这是世界上成功输出瞬时功率的最高值,标志我国在该领域达到了国际领先水平。SULF的下一个目标将是在国际上率先实现10拍瓦激光输出。

采访对象供图

实验室分为两间,一间是光源初始的地方,闪烁的绿光通过处理,频率变得符合科学家的需要,能量增加到7焦耳。此时,它通过墙上的一个圆孔来到另一个房间,在这里,它将被增强为在飞秒级时间内爆发出拍瓦级强大功率的超级激光。

“5拍瓦”:照亮超强超短激光科技前沿

在超强超短激光所需的技术里,其中一项有个诗意的名字:啁啾脉冲放大技术,它可以将激光脉冲时间压缩到飞秒量级。“啁啾”形容的是鸟儿的啼声,刚开始往往低沉,之后不断上扬,直冲云霄。如今,上海光机所强场激光物理国家重点实验室正继续着追光之旅。在硬X射线自由电子激光装置上,属于中国的新纪录正向他们招手。

超强超短激光装置在上海光机所的嘉定园区已发展多年,这次“搬家”到张江,李儒新说,是为了能服务更多的科研用户。SULF将打造三大用户平台:极端条件材料科学研究平台,开展超快材料动态性质的研究,在航空、航天、舰船、高铁、能源、新材料等领域都会有重要应用;超快亚原子物理研究平台,进行反物质与天体物理研究,也有望用于暗物质研究;超快化学与大分子动力学研究平台,可以对生物大分子中的超快电荷转移机制进行研究,也可以基于激光太赫兹辐射对生物大分子进行探测与操控。

该项重大进展为SULF项目实现10拍瓦激光脉冲输出的研制目标奠定了坚实的技术基础。据悉,SULF项目预计将首批建成包括极端条件材料科学研究平台、超快亚原子物理研究平台和超快化学与大分子动力学研究平台等3个用户实验终端,服务于物质科学与生命科学的研究。面向国内外高校,科研机构和企业全面开放,形成多学科综合研究平台。

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世界各国都在大力发展超强超短激光光源,以及依托其的前沿科技创新平台,这一领域的国际竞争非常激烈。2012年,欧盟投资8.5亿欧元,计划于2018年建成10拍瓦的激光用户装置,开创激光与物质相互作用研究与应用的新时代。美、俄、日等国也纷纷提出各自的百拍瓦级超强超短激光装置研究设想。

因为能产生极端条件,所以应用也非常广泛。科学家可以利用这特殊的激光用于研制电子加速器和超快X射线源;可以制造反物质、还可能探测暗物质,来研究天体物理和宇宙起源。

梁晓燕曾在山西大学电子系担任了5年的教师,这五年让她意识到,“学得好”和“讲得好”之间并不能画等号。为了让深奥的理论更加通俗易懂,每上2小时的课,她都要准备一两周。“我教授的数理方法课程里会讲到拉普拉斯变换。我自己学习时觉得很难很复杂,但我做老师将其理解透彻后,发现它是一个极具自然美的东西,在不同的边界条件下,其变换就自然而然的是那个样子。其中的美是简单的、自然的。”梁晓燕笑着说。

上海科技大学物质学院副院长、特聘教授刘志说,装置的作用可以发挥多大,与用户息息相关,他希望未来能有更多科学家通过这个平台做出一流科研,去发现这种超级光源的更多用途。

虽说是超强超短,但实际上非常安全。“我们达到5拍瓦的激光输出,其实每个激光脉冲能量还不到200焦耳。”中科院上海光机所科研人员说,“这只相当于普通微波炉开动高火0.1秒钟的能量。”

2001年,梁晓燕前往德国凯泽斯劳滕大学物理系,开启了两年的博士后生涯。但第一次走进德国的实验室,满怀期待的她收获的却是失望——国际先进水平的实验室竟也拥挤、杂乱,也并非遥不可及。但渐渐地,德国人严谨认真的工作态度让她看到了乱中有序,看到了人家之所以领先的内在竞争力。有一次,梁晓燕获得了一条堪称完美的实验曲线,还没来得及高兴,实验室同行们就提出了质疑,并要求查看她的实验数据记录,直到反复确认无误后,才向她表示了祝贺。“他们对实验器材的管理也很严格规范。每一个镜片都清楚地标注了镀膜时间和参数,设备摆放也井井有条。”回国后,梁晓燕也把从德国学到的严谨带到了工作中,她可以允许实验过程中的仪器损耗,却绝不原谅因个人不爱护而造成的器材损伤。

双脉冲为钛宝石晶体注入能量

瞬间功率为全球电网平均功率2000多倍

高中时的梁晓燕就对物理的推理和逻辑充满兴趣,在山西大学物理系,她对光学“一见钟情”。都说情人眼里出西施,那些常人看起来复杂的公式在梁晓燕眼中却别有韵味。从本科到博士后,她的选择都是激光物理。尽管辛苦,但梁晓燕乐在其中。

又一道耀眼的强光在浦东张江亮起———近日,上海张江综合性国家科学中心超强超短激光实验装置完成5拍瓦激光脉冲输出,这是世界上成功输出瞬时功率的最高值! 它标志我国在该领域达到了国际领先水平。SULF的下一个目标将是在国际上率先实现10拍瓦激光输出。

用微波炉0.1秒能量产生反物质

然而,5拍瓦的首次激光输出,却被中科院上海光机所—上科大联合实验室拔得头筹。2013年,上海光机所团队在世界上率先研制成功2拍瓦的激光放大系统,为当时国际最高峰值功率。此前14年,这顶桂冠一直被美国劳伦斯·里弗莫尔国家实验室所持有。

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激光领域的五大突破中,有4项与超强超短激光直接相关。

它可以提高时间分辨率,由此可导致新的科学和技术突破。SULF继续升级,其输出的各种波段的辐射脉冲,其时间宽度会从飞秒级,提高到阿秒(10的负18次方秒)级、甚至仄秒(10的负21次方秒)级,将开辟光波电子学与信息新技术、超快光核物理研究的新学科领域。

然而,就在这短短的一瞬间,科学家可以利用这特殊的激光,模拟出极端物理环境,比如恒星内部、黑洞边缘,在实验室中产生反物质、探测暗物质,进而研究真空———因为我们所认为的真空,其实并不是“真的空”,其中蕴含的奥秘,有待SULF及其升级装置去揭开。

1拍瓦相当于1秒钟内释放出1千万亿焦耳的能量,这巨大的能量即便将一个小型湖泊的水煮开也绰绰有余。然而,激光脉冲存在的时间却非常短,只有几十飞秒,1飞秒即千万亿分之一秒。所以,每个激光脉冲实际包含的能量却非常小。“我们达到5拍瓦的激光输出,其实每个激光脉冲能量还不到200焦耳。”中科院上海光机所所长李儒新说,“这只相当于普通微波炉开动高火0.1秒钟的能量。”

超强超短激光光源,究竟有什么能耐? 能给我们的生活带来什么样的改变?

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