“成功來自努力、智慧創(chuàng)造奇跡、激光在我手上、家國在我心中”,位于浦東張江的上海超強(qiáng)超短激光實驗裝置大廳內(nèi),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(jì)錄的保持者——世界首臺10拍瓦超強(qiáng)超短激光實驗裝置(SULF)。
超強(qiáng)超短激光被認(rèn)為是人類已知的最亮光源,能在實驗室里創(chuàng)造出之前只有在核爆中心、恒星內(nèi)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(tǒng)為人們提供了前所未有的超高能量密度、超強(qiáng)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(yuǎn)處,比它還強(qiáng)十倍的100拍瓦激光裝置正在建設(shè)中。
包括超強(qiáng)超短激光裝置在內(nèi),全球規(guī)模最大、種類最全、綜合能力最強(qiáng)的光子大科學(xué)設(shè)施群在張江逐漸成形,探索開辟科學(xué)最前沿?!霸诳茖W(xué)性能上,超強(qiáng)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(zhì)大科學(xué)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(lǐng)先水平的大科學(xué)裝置,特別是光子大科學(xué)裝置。
它們有不同的性能和特點,能夠為科學(xué)家提供不同需求的綜合性物理實驗條件?!敝袊茖W(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所副所長冷雨欣在近日采訪中對澎湃新聞(www.thepaper.cn)說道,立足于浦東張江地區(qū)的光子大科學(xué)設(shè)施群,結(jié)合不同裝置的優(yōu)勢特色,中國科研團(tuán)隊有望在基礎(chǔ)物理、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、國防安全及工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域取得創(chuàng)新性成果。
2018年的諾貝爾物理學(xué)獎授予美國科學(xué)家阿瑟·阿什金、法國科學(xué)家熱拉爾·穆魯以及加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭,以表彰他們在激光物理學(xué)領(lǐng)域的突破性貢獻(xiàn)。其中,斯特里克蘭及其導(dǎo)師穆魯開創(chuàng)的啁啾脈沖放大技術(shù),已普遍被應(yīng)用于超強(qiáng)超短脈沖激光系統(tǒng)中。國際上,歐盟、英、法、俄、美、德等均提出各自的超強(qiáng)超短激光裝置計劃,是全球科技競爭重大前沿領(lǐng)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(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院院士李儒新為上海超強(qiáng)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(jīng)·大荒南經(jīng)》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(qiáng)超短激光,顧名思義,第一大特點是超強(qiáng),光強(qiáng)高達(dá)每平方厘米10的22次方瓦。脈沖壓縮后寬度達(dá)到飛秒量級,相當(dāng)于將10個太陽輻射到地球的總功率匯聚到一根頭發(fā)絲這樣的尺度。
這種瞬間爆發(fā)力能起到什么作用呢?它為推進(jìn)多領(lǐng)域應(yīng)用科學(xué)及理論研究的發(fā)展創(chuàng)造了新的條件,可用于制造臺式化電子加速器和產(chǎn)生超快X射線源,對蛋白質(zhì)原子運動探測成像,研制激光質(zhì)子刀以治療癌癥、以及產(chǎn)生反物質(zhì)、研究天體物理和宇宙起源,將來還可能用于真空結(jié)構(gòu)和暗物質(zhì)探測等。
據(jù)介紹,羲和激光裝置的項目法人單位為中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所,共建單位為上??萍即髮W(xué),于2020年12月28日通過項目驗收。項目建設(shè)內(nèi)容主要包括:一臺10拍瓦(1拍瓦=1千萬億瓦)超強(qiáng)超短激光系統(tǒng),同時具備高重復(fù)頻率的1拍瓦級激光輸出束線;極端條件材料科學(xué)研究平臺、超快亞原子物理研究平臺、超快化學(xué)與大分子動力學(xué)研究平臺等3個用戶實驗終端;科研輔助設(shè)施和數(shù)據(jù)中心;一幢裝置實驗大樓。裝置定位面向國內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開放,并提供先進(jìn)的物質(zhì)科學(xué)與生命科學(xué)研究手段。
冷雨欣表示,2016年,在上海市和浦東新區(qū)等的支持下,羲和激光裝置實現(xiàn)了“當(dāng)年立項、當(dāng)年開工”的“上海速度”。
項目建設(shè)期間,2017年10月24日,該裝置實現(xiàn)10.3拍瓦激光放大輸出,在國際上首次實現(xiàn)300焦耳以上能量水平的寬帶激光放大輸出,脈沖壓縮后寬度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,重復(fù)頻率3分鐘/發(fā)次(較設(shè)計指標(biāo)提升40倍),壓縮后脈沖寬度達(dá)24.6fs,平均峰值功率11.7拍瓦(最高峰值功率12.9拍瓦)的結(jié)果,再次打破世界紀(jì)錄。實驗平臺在測試階段,已在拓?fù)鋺B(tài)貢獻(xiàn)的高次諧波產(chǎn)生研究、阿秒電子動力學(xué)研究等方面取得重要進(jìn)展。同時,依托該項目,上海光機(jī)所成功研制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(xué)》(Science)雜志文章列舉為國際上自1960年第一臺激光器發(fā)明以來在激光脈沖功率提升方面的取得第五大里程碑式進(jìn)展;入選“十八大”以來中國科學(xué)院“20項標(biāo)志性重大成果”;入選中國科學(xué)院“率先行動”計劃第一階段重大科技成果及標(biāo)志性進(jìn)展。
澎湃新聞了解到,2021年,上海超強(qiáng)超短激光實驗裝置已初步開放,并供國內(nèi)相關(guān)課題組完成物理實驗;質(zhì)子加速、電子加速等實驗正在進(jìn)行中。
同時,上海光機(jī)所的科研團(tuán)隊正朝著100拍瓦激光裝置的目標(biāo)發(fā)起挑戰(zhàn)?!犊茖W(xué)》雜志對此評價稱,“這會是一個全新的物理學(xué)”,“中國團(tuán)隊正切實引領(lǐng)通往100拍瓦激光的道路”。
近日正式發(fā)布的《中共中央 國務(wù)院關(guān)于支持浦東新區(qū)高水平改革開放打造社會主義現(xiàn)代化建設(shè)引領(lǐng)區(qū)的意見》賦予浦東新區(qū)改革開放新的重大任務(wù)。自主創(chuàng)新發(fā)展的時代標(biāo)桿,是《意見》對浦東提出的戰(zhàn)略定位之一。浦東新區(qū)科技和經(jīng)濟(jì)委員會主任徐欣就此接受澎湃新聞等媒體采訪時表示,當(dāng)好科技創(chuàng)新的國家隊是浦東義不容辭的使命責(zé)任。在落實引領(lǐng)區(qū)意見的過程中,浦東將進(jìn)一步夯實基礎(chǔ)研究的厚度?!澳壳捌謻|建成和在建的大科學(xué)設(shè)施總共有10個,這些大科學(xué)設(shè)施是開展基礎(chǔ)研究的重要載體平臺。浦東將依托國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施等載體,打造以國家戰(zhàn)略科技力量為主導(dǎo)的引領(lǐng)性科技創(chuàng)新組團(tuán),前瞻布局科技創(chuàng)新方向,聚力突破核心領(lǐng)域,推動信息技術(shù)、物質(zhì)科學(xué)、空間技術(shù)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)研究,努力產(chǎn)出一批世界級科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。”他說道。
黑洞里面究竟是什么樣的情況?宇宙線是怎么來的?最強(qiáng)的光能多強(qiáng)?反物質(zhì)都去哪兒了?瞄準(zhǔn)一系列前瞻性、關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題,超強(qiáng)超短激光實驗裝置將給出更多答案。
冷雨欣認(rèn)為,引領(lǐng)區(qū)意見對于開展前沿科研而言幫助很大:首先是科研體制機(jī)制上有望帶來新的突破,有助于國際優(yōu)秀人才的引進(jìn)和落地。同時,也有助于打破行政壁壘,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(qiáng)超短激光實驗裝置將進(jìn)一步融入浦東大科學(xué)集群中,適時向全球科學(xué)界、企業(yè)界開放。
他表示,希望基于上海超強(qiáng)超短激光實驗裝置等大科學(xué)裝置,吸引外國科學(xué)家來中國開展前沿實驗工作,推動大科學(xué)裝置和基礎(chǔ)研究學(xué)科等的發(fā)展。同時,也希望企業(yè)利用該裝置開展前沿的物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)等方面研究,帶動企業(yè)科研發(fā)展?!拔覀円矡崆衅诖髽I(yè)從各個角度,特別是國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場的角度提出需求,牽引大科學(xué)裝置和基礎(chǔ)研究學(xué)科的創(chuàng)新發(fā)展,從而切實為國家重大需求和國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場提供中國解決方案。”
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