世界最強光從浦東發出:上海超強超短激光實驗裝置的追光之旅

2021年08月11日07:20

原標題:世界最強光從浦東發出:上海超強超短激光實驗裝置的追光之旅

“成功來自努力、智慧創造奇蹟、激光在我手上、家國在我心中”,位於浦東張江的上海超強超短激光實驗裝置大廳內,四列紅色大字赫然在目,緊挨著目前全球最高激光峰值功率紀錄的保持者——世界首台10拍瓦超強超短激光實驗裝置(SULF)。

超強超短激光被認為是人類已知的最亮光源,能在實驗室里創造出之前只有在核爆中心、恒星內部、黑洞邊緣才能找到的極端物理條件。10拍瓦(即1億億瓦)激光系統為人們提供了前所未有的超高能量密度、超強電磁場和超快時間尺度等綜合性極端物理條件。但這不是終點,距此不遠處,比它還強十倍的100拍瓦激光裝置正在建設中。

包括超強超短激光裝置在內,全球規模最大、種類最全、綜合能力最強的光子大科學設施群在張江逐漸成形,探索開闢科學最前沿。“在科學性能上,超強超短激光裝置與上海光源、軟X射線自由電子裝置和蛋白質大科學裝置等能夠相互補充。也就是說,在浦東小小幾平方公里土地上,集中了一系列世界領先水平的大科學裝置,特別是光子大科學裝置。它們有不同的性能和特點,能夠為科學家提供不同需求的綜合性物理實驗條件。”中國科學院上海光學精密機械研究所副所長冷雨欣在近日採訪中對澎湃新聞(www.thepaper.cn)說道,立足於浦東張江地區的光子大科學設施群,結合不同裝置的優勢特色,中國科研團隊有望在基礎物理、物質科學、生命科學、國防安全及工業相關領域取得創新性成果。

2018年的諾貝爾物理學獎授予美國科學家阿瑟·阿什金、法國科學家熱拉爾·穆魯以及加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭,以表彰他們在激光物理學領域的突破性貢獻。其中,斯特里克蘭及其導師穆魯開創的啁啾脈衝放大技術,已普遍被應用於超強超短脈衝激光系統中。國際上,歐盟、英、法、俄、美、德等均提出各自的超強超短激光裝置計劃,是全球科技競爭重大前沿領域之一。

在古希臘神話中,太陽神阿波羅司掌光明,法國的拍瓦激光裝置被命名為“阿波羅”。項目負責人、中國科學院院士李儒新為上海超強超短激光實驗裝置取了一個更富詩意的名字:羲和激光裝置。羲和是《山海經·大荒南經》中記載的太陽之母,誕下10個太陽,故以此命名10個拍瓦的激光裝置。

10拍瓦超強超短激光,顧名思義,第一大特點是超強,光強高達每平方釐米10的22次方瓦。脈衝壓縮後寬度達到飛秒量級,相當於將10個太陽輻射到地球的總功率彙聚到一根頭髮絲這樣的尺度。

這種瞬間爆發力能起到什麼作用呢?它為推進多領域應用科學及理論研究的發展創造了新的條件,可用於製造台式化電子加速器和產生超快X射線源,對蛋白質原子運動探測成像,研製激光質子刀以治療癌症、以及產生反物質、研究天體物理和宇宙起源,將來還可能用於真空結構和暗物質探測等。

據介紹,羲和激光裝置的項目法人單位為中國科學院上海光學精密機械研究所,共建單位為上海科技大學,於2020年12月28日通過項目驗收。項目建設內容主要包括:一台10拍瓦(1拍瓦=1千萬億瓦)超強超短激光系統,同時具備高重複頻率的1拍瓦級激光輸出束線;極端條件材料科學研究平台、超快亞原子物理研究平台、超快化學與大分子動力學研究平台等3個用戶實驗終端;科研輔助設施和數據中心;一幢裝置實驗大樓。裝置定位面向國內外高校、科研機構和企業開放,並提供先進的物質科學與生命科學研究手段。

冷雨欣表示,2016年,在上海市和浦東新區等的支援下,羲和激光裝置實現了“當年立項、當年開工”的“上海速度”。

項目建設期間,2017年10月24日,該裝置實現10.3拍瓦激光放大輸出,在國際上首次實現300焦耳以上能量水平的寬帶激光放大輸出,脈衝壓縮後寬度21飛秒。2019年12月7日,裝置獲得激光中心波長為800納米,輸出能量404焦耳,重複頻率3分鐘/發次(較設計指標提升40倍),壓縮後脈衝寬度達24.6fs,平均峰值功率11.7拍瓦(最高峰值功率12.9拍瓦)的結果,再次打破世界紀錄。實驗平台在測試階段,已在拓撲態貢獻的高次諧波產生研究、阿秒電子動力學研究等方面取得重要進展。同時,依託該項目,上海光機所成功研製國際最大口徑鈦寶石晶體等核心器件。

項目取得的成果,被《科學》(Science)雜誌文章列舉為國際上自1960年第一台激光器發明以來在激光脈衝功率提升方面的取得第五大里程碑式進展;入選“十八大”以來中國科學院“20項標誌性重大成果”;入選中國科學院“率先行動”計劃第一階段重大科技成果及標誌性進展。

澎湃新聞瞭解到,2021年,上海超強超短激光實驗裝置已初步開放,並供國內相關課題組完成物理實驗;質子加速、電子加速等實驗正在進行中。

同時,上海光機所的科研團隊正朝著100拍瓦激光裝置的目標發起挑戰。《科學》雜誌對此評價稱,“這會是一個全新的物理學”,“中國團隊正切實引領通往100拍瓦激光的道路”。

近日正式發佈的《中共中央 國務院關於支援浦東新區高水平改革開放打造社會主義現代化建設引領區的意見》賦予浦東新區改革開放新的重大任務。自主創新發展的時代標杆,是《意見》對浦東提出的戰略定位之一。

浦東新區科技和經濟委員會主任徐欣就此接受澎湃新聞等媒體採訪時表示,當好科技創新的國家隊是浦東義不容辭的使命責任。在落實引領區意見的過程中,浦東將進一步夯實基礎研究的厚度。“目前浦東建成和在建的大科學設施總共有10個,這些大科學設施是開展基礎研究的重要載體平台。浦東將依託國家重大科技基礎設施等載體,打造以國家戰略科技力量為主導的引領性科技創新組團,前瞻佈局科技創新方向,聚力突破核心領域,推動信息技術、物質科學、空間技術、生命科學、環境科學研究,努力產出一批世界級科學新發現。”他說道。

黑洞裡面究竟是什麼樣的情況?宇宙線是怎麼來的?最強的光能多強?反物質都去哪兒了?瞄準一系列前瞻性、關鍵科學技術問題,超強超短激光實驗裝置將給出更多答案。

冷雨欣認為,引領區意見對於開展前沿科研而言幫助很大:首先是科研體製機製上有望帶來新的突破,有助於國際優秀人才的引進和落地。同時,也有助於打破行政壁壘,使得科研人員能夠更加便利地在浦東第一線開展前沿科研活動。在前沿研究方面,上海超強超短激光實驗裝置將進一步融入浦東大科學集群中,適時向全球科學界、企業界開放。

他表示,希望基於上海超強超短激光實驗裝置等大科學裝置,吸引外國科學家來中國開展前沿實驗工作,推動大科學裝置和基礎研究學科等的發展。同時,也希望企業利用該裝置開展前沿的物質科學、生命科學等方面研究,帶動企業科研發展。“我們也熱切期待企業從各個角度,特別是國民經濟主戰場的角度提出需求,牽引大科學裝置和基礎研究學科的創新發展,從而切實為國家重大需求和國民經濟主戰場提供中國解決方案。”

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