超強超短激光實驗裝置的建設，有著許多科學問題需要解決(jue) ，包括高能量寬帶脈衝(chong) 放大和壓縮、光譜整形、光束時域和空域質量控製、係統集成等。其中，最具有代表性的是鈦寶石晶體(ti) ，它被稱為(wei) “激光的心髒”…

出品：格致論道講壇

以下內(nei) 容為(wei) 中國科學院上海光學精密機械研究所研究員王文鵬演講實錄：

在許多電影裏都有下圖類似的武器。

▲圖源：《星球大戰7》電影海報

這種發光的武器，人們(men) 統稱它們(men) 為(wei) 激光劍或者激光武器。其實這麽(me) 叫是不恰當的，因為(wei) 它本來的設定是晶體(ti) 通電之後發光的過程。所以叫它激光劍不是很恰當，它和激光一點關(guan) 係都沒有。

認識激光

我更想把激光比作是“一支紀律嚴(yan) 明的光子部隊”，它們(men) 的頻率、方向、波長都一致，很像一支閱兵時走方陣的部隊；它們(men) 步伐一致，攻擊力特別強。而燈光和陽光雖然也含有很多的光子，但都是雜亂(luan) 無章的，沒法形成非常大的攻擊力。

因為(wei) 激光的這種特性，毛主席在1963年的時候曾經說過這樣一句話：“死光，要組織一批人專(zhuan) 門去研究它。要有一小批人吃了飯不做別的事，專(zhuan) 門研究它。”

毛主席把它叫做“死光”，說明這種光肯定有非常獨特的一種特性。其實毛主席在一開始鼓勵大家做這件事的時候是瞄準激光武器的，1963年的時候毛主席稱它為(wei) “死光”，而並沒有稱它為(wei) “激光”。那麽(me) 激光這個(ge) 詞是怎麽(me) 來的呢？

1960年的時候第一台激光器被製造出來了，當時國外給它起了一個(ge) 名字，叫“laser”。但是國內(nei) 許多科研工作者給它起的名字五花八門，有“鐳射光”、“受激輻射量子光”和“受激輻射裝置”等。我們(men) 的領導人、專(zhuan) 家想把它的名字統一化。最後是誰起了“激光”這個(ge) 名字？是著名科學家錢學森。其實這個(ge) 名字與(yu) 它的英文名字laser和功用有很大的關(guan) 係。

▲激光用處

激光的這些特性到底有什麽(me) 用呢？我手中的激光筆，距離非常短的時候，它就是一個(ge) 點，但是我可以把它投射到很遠的地方，它仍然保持一個(ge) 點，而且能量非常集中。這就是利用了激光的方向性好，單色性特別高的特點。

激光還可以用於(yu) 芯片加工。大家可能對最近的中興(xing) 事件和華為(wei) 事件有所了解，都是涉及芯片的問題，而製作芯片需要光刻機。現在最高端的用於(yu) 芯片加工的光刻機，工作原理就是用激光打一個(ge) 錫液滴，產(chan) 生極紫外波段的光，然後用透鏡聚焦起來，在芯片基板上進行刻蝕。這時候就做出了手機或者電腦上使用的高端芯片。

另外，激光也可以用來做激光武器。據相關(guan) 報道，在一個(ge) 地基上建立的激光器可以打到數千米之外的橡皮艇上，差不多1分鍾之內(nei) 就可以將其摧毀。此外，利用激光還可以驅動蛋白質或者細胞進行運動，在生物和醫學領域有很多應用。

從(cong) 上圖可以看出，1960年第一台激光器發明之後，在一二十年內(nei) 激光的強度保持平穩，直到CPA技術出現激光的強度才有了飛躍發展。

CPA技術就是啁啾脈衝(chong) 放大技術。這個(ge) 技術可以把激光的強度瞬間提高很多。CPA技術到底是個(ge) 什麽(me) 技術呢？其實在激光領域要想得到比較高能量的激光輸出，需要不斷地提高種子光的能量，不斷地放大。但是元器件、鏡片都有一定的損傷(shang) 閾值，激光的種子光是不能無限提升的。

好比人通過一扇門時會(hui) 碰到頭，這個(ge) 問題怎麽(me) 解決(jue) 呢？科學家找出了一種方法——“一躺解千愁”，讓人躺著過去、爬著過去，爬的過程中給他一副高蹺，過了門以後再讓他立起來。激光在放大之後就遠遠高於(yu) 種子光的光強了。

CPA技術（啁啾脈衝(chong) 放大技術）是由Mourou和他的學生Strickland在1985年左右發明的。當時有一個(ge) 非常有意思的故事，他的學生Strickland在實驗室裏做實驗的時候，無意中想到一個(ge) 方法，就是用啁啾脈衝(chong) 進行激光放大，以此解決(jue) 激光放大元器件損傷(shang) 閾值不高的難題。

▲2018年諾貝爾物理學獎獲得者

她把原來用於(yu) 雷達裏的啁啾脈衝(chong) 放大技術應用到了激光領域，用非常簡單的實驗光路完成了實驗。當她把這件事告訴她的導師Mourou的時候，Mourou覺得很有意思，但是他根本沒有想過幾十年後竟然因此獲得2018年的諾貝爾物理學獎。

他們(men) 當時發現的CPA技術隻是發表在了OC（Optics Communications）期刊上，影響因子隻有一點幾，是一篇非常普通的文章。但是在2018年卻獲得了諾貝爾物理學獎。這告訴我們(men) 一個(ge) 什麽(me) 道理呢？

諾貝爾物理學獎或者說諾貝爾獎並不是那麽(me) 高深莫測，最重要的是原創性。原創性的東(dong) 西如果後來被大量的人使用，得到更大的發展，從(cong) 而對人類社會(hui) 起到很大的推動作用，它就配得上諾貝爾獎。我覺得在座的許多小朋友，你們(men) 許多非常奇特的想法要堅持下去，把想法堅持下去，說不定多年後你也可以獲得諾貝爾獎。

諾貝爾物理學獎獲得者Mourou跟我們(men) 的交集還是蠻多的，2017年，他被邀請到我們(men) 的實驗室來觀看超強超短激光，同時，他還被邀請到上海科技大學進行交流。2018年12月，他獲得了諾貝爾物理學獎。2019年在SPIE國外會(hui) 議上，我再次見到他，還邀請他拍了合照。

可以看到從(cong) 2017年到2019年，Mourou有了很大的變化，最大的變化是什麽(me) 呢？2017年，他穿的是黑色西服，2019年，他穿了非常時尚的紅色西服，變成“紅人”了，這是因為(wei) 2018年12月他獲得了諾貝爾物理學獎。現在Mourou在國際上做完報告以後，許多科研工作者都會(hui) 邀請他一起合影，我就是其中之一。

什麽(me) 是超強超短激光

從(cong) 名字上就可以看出來，超強超短激光有兩(liang) 大特點：第一大特點是超強，激光的強度特別高，光強可以達到1021W/cm2。

打一個(ge) 非常形象的比喻，假設地球外麵有一個(ge) 非常大的透鏡，可以把照射在地球上所有的太陽光聚焦到頭發絲(si) 這麽(me) 小的尺度上，這時候的光強就是激光所能達到的程度。

第二大特點是超短，激光的脈寬特別短，這裏的脈寬是指激光存在的時間可以達到飛秒量級，1飛秒等於(yu) 一千萬(wan) 億(yi) 分之一秒。就是因為(wei) 激光可以被壓縮到這麽(me) 小的時間尺度，所以它的光強才如此之高。

以前我經常給國內(nei) 外的來賓或小學生講解實驗室。有一次一批小學生來參觀實驗室，快結束時，我啟發性地問了他們(men) 一個(ge) 問題，我說為(wei) 什麽(me) 超強超短激光的光強如此之高呢？

這時候有一個(ge) 小朋友特別聰明，我特別喜歡他的答案，他說“濃縮的就是精華”。確實是這樣，因為(wei) 激光在時間尺度上超級濃縮，在空間尺度上也可以聚焦到一個(ge) 非常小的焦斑，所以強度才如此之高。

同時，激光功率也是非常高的，是全球電網平均功率的4000倍。大家看到這個(ge) 數據可能心裏會(hui) 有很多疑問，既然它是全球電網平均功率的4000倍，是不是激光開啟之後全球就沒有電了呢？其實並不是這樣的。

我們(men) 在這裏給出來的是功率的概念，而電量的概念是功率乘以時間。前麵說過激光的另一大特點就是超短。這麽(me) 大的功率乘以那麽(me) 小的飛秒時間尺度，得到的電量並不是很大，所以激光開啟之後，全球仍然有電。

世界上許多發達國家包括美國、日本、韓國等都在競相進行10PW甚至100PW激光器的研製。中科院上海光機所早在2016年的時候就得到了5.3PW的超強超短激光，打破當時的世界紀錄。2017年，我們(men) 得到了10PW的功率輸出，也是世界第一。

最近，上海市和國家共同投資一個(ge) 89億(yi) 元的項目，超強超短裝置在這裏麵申請到了6億(yi) 元，在地下30米的地方，將要建設100PW的激光。2023年有可能會(hui) 實現100PW的功率輸出，到時候我們(men) 仍然想占據世界第一的位置。

▲SULF上海超強超短激光實驗裝置

這就是新建的10PW實驗室，在上海科技大學的旁邊。我們(men) 不僅(jin) 建設了超強超短激光，在後麵還建立了三條束線來做不同的物理實驗。

其實這麽(me) 大的科學裝置有很多關(guan) 鍵技術等著我們(men) 去解決(jue) ，包括高能量寬帶脈衝(chong) 放大和壓縮、光譜整形、光束時域和空域質量控製、係統集成等。

這裏麵具有代表性的是鈦寶石晶體(ti) ，它是激光器的心髒。有了它，激光才能從(cong) 比較弱能量的種子光不斷地放大，最後形成5PW、10PW甚至100PW的激光。

但是這麽(me) 大口徑的鈦寶石晶體(ti) ，發達國家和公司對我們(men) 是禁運的。非常幸運的是，光機所不僅(jin) 能夠製造大的科學裝置，從(cong) 原始的材料、晶體(ti) 到鍍膜、機械加工都是自給自足的，這才支撐光機所在世界上能夠不斷占據第一的位置。

其實鈦寶石晶體(ti) 的原始材料是沒有顏色的，就是因為(wei) 放大的需要摻了鈦元素才呈現“瑰紅色”，那它是不是和珠寶店裏的寶石差不多呢？

其實是差不多的，隻不過珠寶店的寶石是天然的，而鈦寶石是人工的。鈦寶石的純度要比天然寶石的高得多，色澤均一性都高於(yu) 天然寶石。隻不過大家傳(chuan) 統的觀念裏認為(wei) 天然的都是稀有的，其實鈦寶石晶體(ti) 更加稀有，它關(guan) 係著我們(men) 國家命運的發展，是國之重器的心髒。

超強超短激光的應用

利用激光器可以進行很多應用，可以利用超強超短激光和薄膜靶加速裏麵的質子。工作原理很簡單，大家都知道風吹著帆，船會(hui) 往前走，激光也可以推動薄靶板往前走來加速質子。

在這裏激光就和風一樣，質子就和船一樣不斷加速。隻不過因為(wei) 激光特別強，加速起來的速度比船的速度要快得多，可以達到光速。

▲傳(chuan) 統化療的弊端

我們(men) 不斷地加速這麽(me) 高能量的質子束到底有什麽(me) 用呢？最重要的應用就是質子醫療。傳(chuan) 統的化療和放療有一個(ge) 弊端，在治療的過程中會(hui) 把癌細胞和健康細胞全部殺死。

一個(ge) 癌症病人最後去世並不是癌細胞把病人殺死的，而是在化療的最後，健康細胞被大量消耗，免疫力下降，普通的病毒或感冒就可能要了癌症病人的性命。

質子束最大的特點是指哪兒(er) 打哪兒(er) 。打一個(ge) 非常形象的比喻，假如有100MeV能量的質子束隻在人體(ti) 內(nei) 部5厘米的地方進行沉積，它在過深過淺或周圍的地方都不沉積，這就大大保留了癌症病人健康細胞的數量，從(cong) 而大大提升了癌症病人的存活概率。

▲質子醫療

質子醫療在上海市很早就建立起來了，上海市質子重離子醫院已經成功地進行質子醫療的工作。

這家醫院於(yu) 2004年開始調研，2014年進行了第一例癌症病人的治療，效果不錯。現在一個(ge) 療程大概需要三四十萬(wan) 元，非常貴。但是排隊等待治療的人很多，為(wei) 什麽(me) 呢？因為(wei) 療效確實好，對癌症病人的身體(ti) 傷(shang) 害程度也較低。

質子重離子醫院因為(wei) 需要依托傳(chuan) 統加速器，所以一般會(hui) 在非常龐大的線性加速器旁邊建立醫院。傳(chuan) 統加速器占地麵積大，耗資非常多，而超強超短激光的加速度是傳(chuan) 統加速器的1萬(wan) 倍。

目前世界上最發達的加速器是在歐洲，橫跨三個(ge) 國家，周長是27千米。按照1萬(wan) 倍的加速梯度，用超強超短激光2.7米就可以獲得類似的結果。在未來，有可能在醫院的一個(ge) 屋子裏就可以產(chan) 生或者研製出台式化的質子醫療儀(yi) ，服務於(yu) 人類的健康事業(ye) 。

質子束不僅(jin) 能夠進行質子醫療，還可以進行質子束成像。我要感謝一隻蜻蜓。其實每次做實驗的時候，我們(men) 的壓力特別大。有一天，我的壓力也特別大，因為(wei) 激光器不是特別好，質子束的能量比較低，實驗做不出來。

▲質子成像

我有一個(ge) 習(xi) 慣，中午的時候喜歡打一會(hui) 兒(er) 斯諾克，這一天突然有一隻蜻蜓掉到了我的桌子上，我就想利用能量這麽(me) 低的質子束是不是可以做一些應用呢？所以我把它抓到了實驗室，然後利用這個(ge) 質子束對它進行了成像。

我們(men) 都知道蜻蜓的翅膀、頭部和尾巴都有不同的結構、密度和厚度，高能質子束穿過去的時候會(hui) 有不同的透射率，如果我們(men) 在後麵加一個(ge) 探測片的話，可以得到完整的蜻蜓成像，同時空間分辨率可以達到微米量級。

▲最“貴”的照片

達到微米量級是非常小的空間分辨率了，這種技術未來也可以用於(yu) 早期癌症細胞的探測。健康細胞和癌細胞在形態、厚度、密度上都有不同，如果我們(men) 能拿到對照組用質子束打過去，就可以分析癌症病人的病情。

▲質子成像是當下探測等離子體(ti) 中電磁場的唯一方法

質子束有一個(ge) 特點是帶電性的，像現在用的手機和照相機是光子的，光子是不帶電的。質子束成像是當下探測等離子體(ti) 中電磁場的唯一方法。

“人造小太陽”托卡馬克裝置是高密度的等離子體(ti) 過程，普通的相機是照不到的。而質子束因為(wei) 有穿透性，穿過去的時候，質子束感受到裏麵的磁場和電場就會(hui) 發生偏轉，如果我們(men) 根據一定的數學計算把偏轉反演回去，就可以探測到等離子體(ti) 中的電場和磁場以及動力學的變化過程。

▲納米刻蝕

另外，激光的焦斑特別小，可以小到微米量級、納米量級，1微米等於(yu) 10-6米。激光可以進行納米刻蝕，這是科學家在頭發絲(si) 上刻的“我們(men) 的奮鬥”五個(ge) 字。

▲激光引雷

激光還可以進行天氣幹預，如果未來激光技術發展得足夠好，還可以進行激光引雷。超強超短激光的光強特別高，穿過空氣的時候會(hui) 電離成等離子體(ti) 。

什麽(me) 是等離子體(ti) ？帶電粒子、質子、離子、電子都是等離子體(ti) 。這束激光相當於(yu) 一根“電線”，如果這時有雷電發生，雷電的能量會(hui) 沿著這根“電線”傳(chuan) 輸下來。如果我們(men) 能在地麵上建造足夠大的儲(chu) 能罐，那麽(me) 雷電的能量就可以被我們(men) 人類所利用，產(chan) 生新一代的清潔能源。

▲激光誘導降雪

我們(men) 也可以進行激光誘導降雪，當激光進入氣室的時候會(hui) 形成相反轉動的渦旋，這裏的水汽高速地碰撞，導致了雪凝的現象。激光開射半小時甚至一個(ge) 小時以後，在靶壁上可以看到有大量的雪花存在。

大家可以盡情地想象，如果激光器未來發展得足夠好，我們(men) 是不是可以發射一束激光到天空中，形成一個(ge) 小區域的激光誘導降雪，由小區域再影響到更大的區域，從(cong) 而實現天氣的整體(ti) 變化呢？科技永遠會(hui) 給我們(men) 帶來不可思議的一些東(dong) 西。

▲基礎物理研究的平台

未來發展10PW、100PW的激光器可以進行多方麵的研究，尤其是基礎物理研究平台，可以研究宇宙中的伽馬射線暴、電子加速、撕裂真空實驗、暗物質以及太赫茲(zi) 新輻射源的產(chan) 生。

最後，我作為(wei) 一名普通的科研工作者，想跟大家一起交流一下到底什麽(me) 是科研？我認為(wei) 科研是研究大家認為(wei) 不可思議的東(dong) 西，它越不可思議、越匪夷所思就越有價(jia) 值。

但這也決(jue) 定了科研的本質可能是枯燥的，甚至是痛苦的。但是我們(men) 如果能夠得到好的科研成果，會(hui) 非常高興(xing) 。這就像詩中所說的那樣，漫長的科研過程如同那黑夜，而我們(men) 得到科研結果就是光明。

科研對我而言是什麽(me) 呢？以前有人問我的時候，我得不到令自己幸福的答案，但我最近好像得到答案了。

我對科研可能有兩(liang) 方麵的認識。一方麵可能是一種哲學，它帶領我認識這個(ge) 世界，認識這個(ge) 世界是怎麽(me) 運轉的，並有可能在某個(ge) 小方向、小範圍之內(nei) 改造這個(ge) 世界。大家能想到有什麽(me) 事情比改造世界更令人興(xing) 奮嗎？

另一方麵科研也是一種情懷，無關(guan) 於(yu) 金錢，也無關(guan) 於(yu) 權勢。它可能是帶著我們(men) 一起去完成、去尋找認知世界本質的那份虔誠。

我會(hui) 繼續做科研，也許是為(wei) 了那份光明，也許是為(wei) 了我心中那份隱藏的、絲(si) 絲(si) 的渴望認知世界本質的虔誠。

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