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夙愿實(shí)現(xiàn)的那一刻，是什么感覺？激動(dòng)？振奮？喜極而泣？

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡稱上海光機(jī)所）研究員於亮紅的回答是：“整個(gè)人仿佛都放空了?！?/p>

那是2017年10月24日。這天一大早，於亮紅就走進(jìn)位于上海浦東張江的超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)室。他看著到場的同事，給大家打氣：“說不定在今天，我們就能達(dá)到目標(biāo)！”

轉(zhuǎn)眼到了傍晚，設(shè)備打出的脈沖能量還在300焦耳以下徘徊。他們的目標(biāo)是輸出功率10拍瓦以上的激光，這需要脈沖能量至少達(dá)到330焦耳，目前還是“差口氣”。

由于設(shè)備需要散熱，每次打光至少間隔兩小時(shí)，因此一天最多能打五六次。晚上7點(diǎn)多，他們再次調(diào)試儀器，準(zhǔn)備再試一次。

儀器調(diào)好后，實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)入操控室發(fā)出運(yùn)行指令。耳畔各種聲音此起彼落：真空設(shè)備的隆隆聲、制冷劑的嗡嗡聲、每隔半分鐘一次的嘀嘀聲……唯獨(dú)人是最安靜的：他們都在屏息凝神，等待結(jié)果揭曉的那一刻。

單次放大完成了，於亮紅和師弟甘澤彪（時(shí)任上海光機(jī)所助理研究員，現(xiàn)為副研究員）重新回到實(shí)驗(yàn)室，查看能量計(jì)。比手機(jī)稍大一點(diǎn)的顯示屏上，跳動(dòng)著一個(gè)從未有過的數(shù)字：339焦耳。換算一下，功率剛好達(dá)到10拍瓦！

歡呼聲響了起來，蓋過了嘀嘀聲、嗡嗡聲以及最響的隆隆聲。聞?dòng)嵹s來的同事都在狂歡，最年輕的幾位興奮地跑來跑去。於亮紅坐在角落的一個(gè)小箱子上，倚著墻壁，看著眼前晃過的每一張快樂的臉龐，只覺得整個(gè)人都“空”了：過去幾個(gè)月里，每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不達(dá)標(biāo)，他都會(huì)反復(fù)思索哪里做得不夠。

這一次，終于不用再想了。

1 讓超短超強(qiáng)激光，更短更強(qiáng)！

上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（以下簡稱“羲和”裝置）在世界上首次實(shí)現(xiàn)了10拍瓦激光放大輸出！

這個(gè)從天而降的喜訊，很快成為了國內(nèi)外科技熱點(diǎn)新聞。

10拍瓦，是當(dāng)時(shí)人類已知最高的激光峰值功率。假如地球外有一面巨大的透鏡，把照射在地球上的所有太陽光聚焦在一根人類頭發(fā)絲直徑大小的點(diǎn)上所產(chǎn)生的光強(qiáng)，相當(dāng)于1拍瓦，那么10拍瓦就是10個(gè)太陽的光強(qiáng)！

也正因如此，中國科學(xué)院院士、上海光機(jī)所研究員李儒新給這座裝置取了一個(gè)頗具中國式浪漫的名字：羲和。在《山海經(jīng)》的神話傳說中，羲和女神是10個(gè)太陽的母親。后羿射日之前，10個(gè)太陽同時(shí)凌空給大地上的生靈帶來了災(zāi)難。而今，“羲和”裝置將相當(dāng)于10個(gè)太陽的光芒匯聚起來，并將用這種巨大的光強(qiáng)造福人類。

超強(qiáng)超短激光，是世界各國都在爭奪的科技制高點(diǎn)。

所謂“超強(qiáng)”，是指脈沖功率極高；所謂“超短”，是指一個(gè)脈沖的時(shí)域尺度極短，達(dá)到幾十飛秒（1飛秒為一千萬億分之一秒）的量級。眾所周知，功率等于能量除以時(shí)間，當(dāng)分子極大而分母極小時(shí)，瞬時(shí)功率就會(huì)達(dá)到驚人的強(qiáng)度。

10拍瓦以上的激光，能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造出前所未有的超強(qiáng)電磁場、超高能量密度和超快時(shí)間尺度等綜合性極端物理?xiàng)l件。在自然環(huán)境中，這樣的條件只存在于核爆中心、恒星內(nèi)部、黑洞邊緣等極端環(huán)境中。

毫無疑問，這樣的科研重器將把人類對物質(zhì)世界的認(rèn)知，帶入一個(gè)全新境界。

然而，人類對超強(qiáng)超短激光的追求伴隨著重重的艱難險(xiǎn)阻。超短激光脈沖在能量放大過程中極具破壞性，會(huì)損壞設(shè)備。這一度成為該領(lǐng)域最大的瓶頸。1985年，法國科學(xué)家Gerard Mourou和加拿大科學(xué)家Donna Strickland提出一種巧妙的方法：當(dāng)一個(gè)超短激光的低能量種子脈沖發(fā)出后，先把它的時(shí)域尺度拓寬，也就是俗稱的“展寬”，這樣它的整體功率就降低了，之后通過作為“儲(chǔ)能電池”的鈦寶石晶體，一次次把更多能量輸入這束激光中，最后對激光進(jìn)行時(shí)域上的壓縮，讓它的功率達(dá)到最高——這就是著名的啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)。

“好比一個(gè)人，個(gè)頭兒比門還高，怎么在不損壞門框的前提下，讓他通過呢？”上海光機(jī)所研究員王文鵬打了個(gè)形象的比方，“CPA技術(shù)的思路是先讓這個(gè)人躺下，從瘦高個(gè)變得又長又扁，在通過一道道門的過程中，我們又給他加上一節(jié)節(jié)‘高蹺’。最后，當(dāng)他走過所有門，再踩著高蹺站起來時(shí)，就是一個(gè)很高很高的巨人了。”

1992年，立陶宛科學(xué)家A. Piskarskas等又發(fā)明了光參量啁啾脈沖放大（OPCPA）技術(shù)。在某些方面，這一技術(shù)的獨(dú)特性，可以突破限制高功率激光系統(tǒng)發(fā)展的若干技術(shù)瓶頸。

中國科學(xué)院院士、上海光機(jī)所研究員徐至展是國內(nèi)這一領(lǐng)域的先行者。2002年，他領(lǐng)銜完成“小型化OPCPA超短超強(qiáng)激光裝置”，在120飛秒的瞬間獲得16.7太瓦（167億千瓦）的強(qiáng)大功率，這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)國際多數(shù)同類研究結(jié)果。

此后，徐至展和他的學(xué)生李儒新接力奮斗，致力于讓超短超強(qiáng)激光變得更短、更強(qiáng)。

2 從“小水池”游向“大海洋”

盡管OPCPA技術(shù)相比CPA技術(shù)更適合于發(fā)展超高峰值功率激光，但在當(dāng)時(shí)，CPA技術(shù)路線更加成熟。因此在很多年里，上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持深耕CPA路線，先后實(shí)現(xiàn)0.89拍瓦、1拍瓦的目標(biāo)。

2013年，以CPA技術(shù)為基礎(chǔ)的“羲和”攻關(guān)團(tuán)隊(duì)成立。最初的團(tuán)隊(duì)成員包括冷雨欣、梁曉燕、於亮紅、許毅等人。他們當(dāng)年就研制出2拍瓦激光放大系統(tǒng)，達(dá)到當(dāng)時(shí)國際最高峰值。

2014年，團(tuán)隊(duì)又突破一個(gè)重大技術(shù)瓶頸，在“寄生振蕩”領(lǐng)域取得階段性成果。

在CPA技術(shù)路線中，玫瑰紅色的鈦寶石晶體不僅是“顏值擔(dān)當(dāng)”，還是“高科技擔(dān)當(dāng)”，承擔(dān)了能量儲(chǔ)蓄池和放大站的重要功能。理想情況下，當(dāng)種子激光經(jīng)過鈦寶石時(shí)，會(huì)提取泵浦激光存儲(chǔ)在其中的能量，實(shí)現(xiàn)種子激光能量的顯著提升。

然而，實(shí)踐中的效果往往不盡如人意。在放大過程中，由于大口徑晶體橫向截面較大，鈦寶石晶體自發(fā)輻射的光會(huì)在垂直于種子激光傳輸?shù)姆较蛏习l(fā)生橫向自振，消耗很大一部分鈦寶石晶體中的儲(chǔ)能，導(dǎo)致種子激光無法實(shí)現(xiàn)能量放大。

這種惱人的現(xiàn)象，被形象地稱為“橫向寄生振蕩”。上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)?wèi){借長期技術(shù)積累，有效地抑制了寄生振蕩，顯著提升了輸出能量。在后來向5拍瓦、10拍瓦進(jìn)軍的過程中，隨著鈦寶石晶體的橫截面積進(jìn)一步增大，寄生振蕩問題也更加突出。在一次次“魔高一尺，道高一丈”的博弈中，團(tuán)隊(duì)對寄生振蕩的抑制技術(shù)不斷更新?lián)Q代。

盡管捷報(bào)頻傳，但大家已經(jīng)意識(shí)到，由于上海嘉定的實(shí)驗(yàn)室場地有限，后續(xù)裝置的升級空間已經(jīng)很小了。

小池養(yǎng)不出大魚。要想獲得更強(qiáng)的激光，就必須找到更廣闊的空間。

2015年，“羲和”裝置關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證的原型——5拍瓦激光系統(tǒng)落戶張江。2009年，外形酷似鸚鵡螺的大科學(xué)裝置“上海光源”竣工，成為張江的著名地標(biāo)之一。之后圍繞上海光源，當(dāng)?shù)爻醪叫纬闪艘粋€(gè)光子科學(xué)大裝置集群。兩大裝置比鄰而居，形成完美的配合和互補(bǔ)，可以為在張江尋夢的科研工作者提供不同類型的光源。

第一批來到張江的“羲和”團(tuán)隊(duì)成員，像蓋房子一樣，從零開始搭建這座大科學(xué)裝置。從一面面光學(xué)鏡片、一塊塊寶石晶體、一個(gè)個(gè)光學(xué)支撐架開始，建成一個(gè)個(gè)組件、一級級子系統(tǒng)，并最終形成整個(gè)裝置。但與蓋房子不同的是，放眼世界，當(dāng)時(shí)還沒有一個(gè)能實(shí)現(xiàn)10拍瓦激光輸出的同類裝置，他們只能一邊開展技術(shù)攻關(guān)，一邊研制裝置，一邊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。