什麽(me) 是皮秒拍瓦激光係統？

中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）的“高能皮秒拍瓦激光係統”項目被列入上海市科委今年的重大科研工作科普化項目。該項目第一完成人上海光機所朱健強研究員近期接受了筆者采訪。應筆者要求，朱健強首先就項目名稱涉及的“皮秒”、“拍瓦”、“激光係統”等概念作了一番解讀：

拍瓦（10^15W）是一個(ge) 描述一定時間範圍內(nei) 的激光瞬間功率的術語，與(yu) 拍瓦相關(guan) 的時間尺度有兩(liang) 類，一類是皮秒（10^-12秒），一類是飛秒（10^-15秒），兩(liang) 者差別在於(yu) 時間寬度，時間越長，則需能量越大，才能實現拍瓦輸出。

記得當時媒體(ti) 報道用了1皮秒相當於(yu) 1萬(wan) 億(yi) 分之一秒；1拍瓦相當於(yu) 1千萬(wan) 億(yi) 瓦，這個(ge) 功率差不多是全球發電總量的500倍。

從(cong) 激光技術的發展軌跡看，激光的脈衝(chong) 寬度（指脈衝(chong) 所能達到最大值所持續的周期）從(cong) 毫秒、微秒、納秒、皮秒縮短至目前的飛秒乃至阿秒，但是，隨著脈衝(chong) 寬度的變窄，每個(ge) 脈衝(chong) 內(nei) 所包括的能量也隨之減少。

常規的放大技術，激光能量的提取效率也與(yu) 激光脈寬有關(guan) ，所以，實現拍瓦輸出，切實可行的技術方案是在激光放大過程中把納秒級脈寬的脈衝(chong) 的能量放大到一定水準，再把脈衝(chong) 寬度壓窄到皮秒或飛秒。簡單來說，在更短時間裏獲得更大的能量。

實際上相關(guan) 概念可以追溯到激光技術剛問世的1964年，那時就已有文章討論啁啾脈衝(chong) 可以壓縮的話題。諾獎得主莫羅在20世紀80年代進一步提出啁啾脈衝(chong) 的放大壓縮概念。

20世紀90年代，科學家已經可以把脈衝(chong) 壓縮到飛秒級，但因為(wei) 壓縮本底太大，還不具備真正物理實驗上的可用性。

1999年勞倫(lun) 斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）利用啁啾脈衝(chong) 放大壓縮的基本原理，做出皮秒拍瓦激光係統裝置；伴隨著拍瓦激光的需求，科學家還製作出了米級尺寸每毫米1 700線的光柵。沒有大尺寸（米級）高密度光柵的製備，拍瓦激光是無法實現的。大尺度光柵製備難原因之一是原先的刻劃工藝無法製備大口徑高密度的光柵。後來圍繞這一需求發展了全息曝光刻蝕係統，克服了傳(chuan) 統光柵製備中的障礙，實現了高損傷(shang) 閾值的大口徑光柵製備。

從(cong) 概念到樣機，躋身國際競爭(zheng)

“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(jue) 製作中的難點，克服一個(ge) 個(ge) 障礙才能真正帶來革命性的改變”。

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

有了這樣的皮秒拍瓦裝置可以做什麽(me) 有價(jia) 值的事？1999年LLNL的工作讓人看到了這一裝置的潛在應用：在激光慣性約束聚變中的“快點火”研究中，皮秒拍瓦激光大有用武之地！

自1996年聯合國安理會(hui) 全麵禁核試驗條約生效後，各國都在競相開發實驗室條件下模擬核爆炸過程的設備和技術，其中一個(ge) 方案就是采用多束高能激光，聚焦於(yu) 一個(ge) 非常小的燃料小球上，使燃料小球達到高溫高壓產(chan) 生核聚變反應，即所謂的“點火”。

目前該領域的一個(ge) 熱點就是在激光均勻輻照球形靶丸的同時，采用一路非常強的點火激光，深入到靶丸中心，首先點起火來，該方案又被稱為(wei) “快點火”。

在中國，類似的由上海光機所牽頭完成的攻關(guan) 項目被稱為(wei) “神光Ⅱ”工程，這也是1993年朱健強博士畢業(ye) 留所工作後參與(yu) 的第一個(ge) 重大項目。

“神光Ⅱ”工程寄托著幾代科學家的能源夢。地球上聚變能源的原料異常豐(feng) 富，1 000立方米的海水含有的聚變能量相當於(yu) 全球化石能源的總和，若將其在受控情況下釋放出來，可供人類使用上千萬(wan) 年。研製類似“神光Ⅱ”工程這類大型激光裝置，是科學家探索新能源征途上的一個(ge) 裏程碑。

可以說從(cong) 高能皮秒拍瓦激光係統研製起步到後來牽引出聚變反應的快點火以及由此衍生出的聚變能源的研究方向，這一路走來都是科學思想引領和重大需求牽引的結果。在中國，上海光機所牽頭的這一項目從(cong) 一開始就得到中科院和國家863計劃強有力的支持，後來滾動到國家重大科技專(zhuan) 項。

禁運之下的自主研發

回顧整個(ge) 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）光柵器件的自主研製，這種脈衝(chong) 展寬壓縮過程中必不可少的核心器件美國對我們(men) 是禁運的，所以隻能靠自己研發。

在國家863計劃部署支持下，這個(ge) 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項目隻用了短短幾年（2007—2010年）就取得了突破性進展，包括了光柵製作涉及理論計算（清華大學為(wei) 主），大口徑塗膜和曝光工藝（蘇州大學為(wei) 主），光柵基板（上海光機所為(wei) 主）和最終的離子刻蝕和清洗（中科大為(wei) 主）：

“這種優(you) 勢互補的合作非常可貴且重要。關(guan) 鍵是要有人，要有點石成金的戰略思維和組合能力。力量分散做不成大事。另外，如果能從(cong) 國外購買(mai) ，我們(men) 的研發能力也無從(cong) 建立起來。從(cong) 這個(ge) 意義(yi) 上講，禁運催生、促進了我們(men) 內(nei) 生的創新動力和能力。那時的人都憋著一股勁，就想做這件事。而且一旦我們(men) 痛下決(jue) 心幹，我們(men) 中國人一定能做好。”

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係統的進展中來。朱健強介紹，

團隊的科學家利用這一裝置上取得了一係列原創成果：

信噪比達到能開展實質性工作的水平；

中子產(chan) 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(chuan) 統快點火用激光直接燒蝕靶丸的諸多缺陷，獲得的內(nei) 爆中子產(chan) 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(nei) 實現了高溫點火。這個(ge) 過程原來的方式相當於(yu) 柴油發動機，在壓縮汽化燃料的同時實現升溫至自燃，現在快點火相當於(yu) 汽油機，其中的皮秒拍瓦相當於(yu) 火花塞。快點火把高溫高密度兩(liang) 者互逆的難題給解耦了。

莫羅本人和諾貝爾基金會(hui) 網站在刊登的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(wei) 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年裏6次獲得諾獎也使得飛秒、皮秒激光加速走向工業(ye) 、臨(lin) 床醫療等方麵的應用。

激光科技造福民生前景無限

話題進入技術應用，這也是我們(men) 科普化解讀一定希望涉及的。事實上如今的醫療、美容領域，激光醫療、皮秒美容都很火，網上信息鋪天蓋地。為(wei) 此我也請教眼前這位光學領域大專(zhuan) 家如何看待激光皮秒技術應用於(yu) 醫學美容領域。

身兼中國電子學會(hui) 激光專(zhuan) 委會(hui) 副主任委員的朱健強接過我的問題回應說，2020年是激光技術發明60周年，激光在半個(ge) 多世紀裏從(cong) 科學概念發展到今天滲透到科學、工業(ye) 、醫療等幾乎所有領域，可以說我們(men) 每個(ge) 人的生活都已經與(yu) 激光及其應用難分難舍：

“具體(ti) 而言，質子束治療早已成為(wei) 癌症治療的一個(ge) 有效手段，但目前用的質子源大都來自質子加速器，成本很高，做一次要幾十萬(wan) 的費用。如今激光加速質子源已成為(wei) 重要的醫療質子源。國內(nei) 外都啟動了相關(guan) 的研究計劃，以使相關(guan) 的治療成本降到千元以內(nei) 。不少風投都關(guan) 注並進入到這一領域，相信不出幾年就有望進入常規的腫瘤放射性治療中。

目前醫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。這在國外已經很實用了。原先的激光治療就是短脈衝(chong) 把近視變成視力正常，現在發展到不僅(jin) 可矯正視力，而且能解決(jue) 眼睛老花，其原理是把成像範圍拓寬了。

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。

還有文物修複領域從(cong) 原來的化學清除現在可以做到無損清除。激光能有效去除文物表麵的汙漬，幫助恢複到物品的原始狀態。”

努力實現幾代物理學家的聚變能源夢

采訪臨(lin) 近尾聲。采訪提綱中最後一個(ge) 問題使得話題再次回到高能皮秒拍瓦激光係統，即隨著高能皮秒拍瓦激光係統物理目標的實現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麽(me) 。

可能這個(ge) 問題正對上朱健強近期工作的興(xing) 奮點，所以馬上引出他以下的介紹：正是我們(men) 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幹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於(yu) 張傑院士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(ge) 場合下，兩(liang) 位科學家不期而遇聊到希望用一種簡單有效的解決(jue) 方案來實現點火途徑，最終使聚變能源得以實現這個(ge) 話題。共同的學術興(xing) 趣和追求，特別是高能皮秒拍瓦激光係統和“神光Ⅱ升級裝置”已具備的能量，立即點燃雙方的激情，決(jue) 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場合影，中間為(wei) 張傑院士

在中科院先導計劃支持下的這一中國快點火方案2019年提出後立即得到國際同行的高度關(guan) 注，並很快與(yu) 國際同行簽訂了一項以我國為(wei) 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(ge) 國際大科學計劃的平台在我們(men) 光機所，其願景是實現點火目標及實現途徑，為(wei) 聚變能源實現做鋪墊。這也是幾代物理學家的夙願。”

從(cong) 1991年進入上海光機所師從(cong) 陳紹和、鄧錫銘老師進入高能皮秒拍瓦激光係統研發領域到2019年5月摘取上海科技進步一等獎桂冠，從(cong) 1993年研製出高能激光係統樣機到20年後主持研製出我國首個(ge) 快點火實驗裝置——高能皮秒拍瓦激光係統……朱健強是我國激光技術不斷發展的見證人和引領者。我們(men) 也期待進入皮秒、拍瓦時代的fun88官网平台科技能書(shu) 寫(xie) 更恢宏的篇章。

作者手記：

朱健強研究員領銜完成的“高能皮秒拍瓦激光係統”項目摘得2018年度上海科技進步一等獎，對這一足以顯示國之重器價(jia) 值的重大科學工程項目，媒體(ti) 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(cong) 作為(wei) 掌門人的他如何根據中科院知識創新工程的總體(ti) 要求,製定光機所未來5年的發展戰略及相應的人才戰略，帶領這個(ge) 有彪炳業(ye) 績的研究大所邁向新的輝煌。而對於(yu) 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(wei) 這使我有機會(hui) 再度和朱老師見麵，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。

“世界科學”聯合“賽先生”等微信公號，在上海市科學技術委員會(hui) 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——“高能皮秒拍瓦激光係統”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。