超強超短雷射實驗裝置的建設，有著許多科學問題需要解決，包括高能量寬頻脈沖放大和壓縮、光譜整形、光束時域和空域品質控制、系統整合等。其中，最具有代表性的是鈦寶石晶體，它被稱為「雷射的心臟」…
出品：格致論道講壇
以下內容為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：【星際大戰7】電影海報
這種發光的武器，人們統稱它們為雷射劍或者雷射武器。其實這麽叫是不恰當的，因為它本來的設定是晶體通電之後發光的過程。所以叫它雷射劍不是很恰當，它和雷射一點關系都沒有。
認識雷射
我更想把雷射比作是「一支紀律嚴明的光子部隊」，它們的頻率、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，但都是雜亂無章的，沒法形成非常大的攻擊力。
因為雷射的這種特性，毛主席在1963年的時候曾經說過這樣一句話：「死光，要組織一批人專門去研究它。要有一小批人吃了飯不做別的事，專門研究它。」
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雷射武器的，1963年的時候毛主席稱它為「死光」，而並沒有稱它為「雷射」。那麽雷射這個詞是怎麽來的呢？
1960年的時候第一台雷射器被制造出來了，當時國外給它起了一個名字，叫「laser」。但是國內許多科研工作者給它起的名字五花八門，有「鐳射光」、「受激放射線量子光」和「受激放射線裝置」等。我們的領導人、專家想把它的名字統一化。最後是誰起了「雷射」這個名字？是著名科學家錢學森。其實這個名字與它的英文名字laser和功用有很大的關系。
▲雷射用處
雷射的這些特性到底有什麽用呢？我手中的雷射筆，距離非常短的時候，它就是一個點，但是我可以把它投射到很遠的地方，它仍然保持一個點，而且能量非常集中。這就是利用了雷射的方向性好，單色性特別高的特點。
雷射還可以用於芯片加工。大家可能對最近的中興事件和華為事件有所了解，都是涉及芯片的問題，而制作芯片需要光刻機。現在最高端的用於芯片加工的光刻機，工作原理就是用雷射打一個錫液滴，產生極紫外波段的光，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，雷射也可以用來做雷射武器。據相關報道，在一個地基上建立的雷射器可以打到數千米之外的橡皮艇上，差不多1分鐘之內就可以將其摧毀。此外，利用雷射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套用。
從上圖可以看出，1960年第一台雷射器發明之後，在一二十年內雷射的強度保持平穩，直到CPA技術出現雷射的強度才有了飛躍發展。
CPA技術就是啁啾脈沖放大技術。這個技術可以把雷射的強度瞬間提高很多。CPA技術到底是個什麽技術呢？其實在雷射領域要想得到比較高能量的雷射輸出，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閾值，雷射的種子光是不能無限提升的。
好比人透過一扇門時會碰到頭，這個問題怎麽解決呢？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。雷射在放大之後就遠遠高於種子光的光強了。
CPA技術（啁啾脈沖放大技術）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，無意中想到一個方法，就是用啁啾脈沖進行雷射放大，以此解決雷射放大元器件損傷閾值不高的難題。
▲2018年諾貝爾物理學獎獲得者
她把原來用於雷達裏的啁啾脈沖放大技術套用到了雷射領域，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。
他們當時發現的CPA技術只是發表在了OC（Optics Communications）期刊上，影響因子只有一點幾，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。這告訴我們一個什麽道理呢？
諾貝爾物理學獎或者說諾貝爾獎並不是那麽高深莫測，最重要的是原創性。原創性的東西如果後來被大量的人使用，得到更大的發展，從而對人類社會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跟我們的交集還是蠻多的，2017年，他被邀請到我們的實驗室來觀看超強超短雷射，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國外會議上，我再次見到他，還邀請他拍了合照。
可以看到從2017年到2019年，Mourou有了很大的變化，最大的變化是什麽呢？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邀請他一起合影，我就是其中之一。
什麽是超強超短雷射
從名字上就可以看出來，超強超短雷射有兩大特點：第一大特點是超強，雷射的強度特別高，光強可以達到1021W/cm2。
打一個非常形象的比喻，假設地球外面有一個非常大的透鏡，可以把照射在地球上所有的太陽光聚焦到頭發絲這麽小的尺度上，這時候的光強就是雷射所能達到的程度。
第二大特點是超短，雷射的脈寬特別短，這裏的脈寬是指雷射存在的時間可以達到飛秒量級，1飛秒等於一千萬億分之一秒。就是因為雷射可以被壓縮到這麽小的時間尺度，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一個問題，我說為什麽超強超短雷射的光強如此之高呢？
這時候有一個小朋友特別聰明，我特別喜歡他的答案，他說「濃縮的就是精華」。確實是這樣，因為雷射在時間尺度上超級濃縮，在空間尺度上也可以聚焦到一個非常小的焦斑，所以強度才如此之高。
同時，雷射功率也是非常高的，是全球電網平均功率的4000倍。大家看到這個數據可能心裏會有很多疑問，既然它是全球電網平均功率的4000倍，是不是雷射開啟之後全球就沒有電了呢？其實並不是這樣的。
我們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。前面說過雷射的另一大特點就是超短。這麽大的功率乘以那麽小的飛秒時間尺度，得到的電量並不是很大，所以雷射開啟之後，全球仍然有電。
世界上許多已開發國家包括美國、日本、南韓等都在競相進行10PW甚至100PW雷射器的研制。中科院上海光機所早在2016年的時候就得到了5.3PW的超強超短雷射，打破當時的世界紀錄。2017年，我們得到了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89億元的計畫，超強超短裝置在這裏面申請到了6億元，在地下30公尺的地方，將要建設100PW的雷射。2023年有可能會實作100PW的功率輸出，到時候我們仍然想占據世界第一的位置。
▲SULF上海超強超短雷射實驗裝置
這就是新建的10PW實驗室，在上海科技大學的旁邊。我們不僅建設了超強超短雷射，在後面還建立了三條束線來做不同的物理實驗。
其實這麽大的科學裝置有很多關鍵技術等著我們去解決，包括高能量寬頻脈沖放大和壓縮、光譜整形、光束時域和空域品質控制、系統整合等。
這裏面具有代表性的是鈦寶石晶體，它是雷射器的心臟。有了它，雷射才能從比較弱能量的種子光不斷地放大，最後形成5PW、10PW甚至100PW的雷射。
但是這麽大口徑的鈦寶石晶體，已開發國家和公司對我們是禁運的。非常幸運的是，光機所不僅能夠制造大的科學裝置，從原始的材料、晶體到鍍膜、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。
其實鈦寶石晶體的原始材料是沒有顏色的，就是因為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，只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，色澤均一性都高於天然寶石。只不過大家傳統的觀念裏認為天然的都是稀有的，其實鈦寶石晶體更加稀有，它關系著我們國家命運的發展，是國之重器的心臟。
超強超短雷射的套用
利用雷射器可以進行很多套用，可以利用超強超短雷射和薄膜靶加速裏面的質子。工作原理很簡單，大家都知道風吹著帆，船會往前走，雷射也可以推動薄靶板往前走來加速質子。
在這裏雷射就和風一樣，質子就和船一樣不斷加速。只不過因為雷射特別強，加速起來的速度比船的速度要快得多，可以達到光速。
▲傳統化療的弊端
我們不斷地加速這麽高能量的質子束到底有什麽用呢？最重要的套用就是質子醫療。傳統的化療和放療有一個弊端，在治療的過程中會把癌細胞和健康細胞全部殺死。
一個癌癥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癥病人的性命。
質子束最大的特點是指哪兒打哪兒。打一個非常形象的比喻，假如有100MeV能量的質子束只在人體內部5厘米的地方進行沈積，它在過深過淺或周圍的地方都不沈積，這就大大保留了癌癥病人健康細胞的數量，從而大大提升了癌癥病人的存活機率。
▲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2004年開始調研，2014年進行了第一例癌癥病人的治療，效果不錯。現在一個療程大概需要三四十萬元，非常貴。但是排隊等待治療的人很多，為什麽呢？因為療效確實好，對癌癥病人的身體傷害程度也較低。
質子重離子醫院因為需要依托傳統加速器，所以一般會在非常龐大的線性加速器旁邊建立醫院。傳統加速器占地面積大，耗資非常多，而超強超短雷射的加速度是傳統加速器的1萬倍。
目前世界上最發達的加速器是在歐洲，橫跨三個國家，周長是27千米。按照1萬倍的加速梯度，用超強超短雷射2.7公尺就可以獲得類似的結果。在未來，有可能在醫院的一個屋子裏就可以產生或者研制出台式化的質子醫療儀，服務於人類的健康事業。
質子束不僅能夠進行質子醫療，還可以進行質子束成像。我要感謝一只蜻蜓。其實每次做實驗的時候，我們的壓力特別大。有一天，我的壓力也特別大，因為雷射器不是特別好，質子束的能量比較低，實驗做不出來。
▲質子成像
我有一個習慣，中午的時候喜歡打一會兒司諾克，這一天突然有一只蜻蜓掉到了我的桌子上，我就想利用能量這麽低的質子束是不是可以做一些套用呢？所以我把它抓到了實驗室，然後利用這個質子束對它進行了成像。
我們都知道蜻蜓的翅膀、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有不同的透射率，如果我們在後面加一個探測片的話，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早期癌癥細胞的探測。健康細胞和癌細胞在形態、厚度、密度上都有不同，如果我們能拿到對照組用質子束打過去，就可以分析癌癥病人的病情。
▲質子成像是當下探測電漿中電磁場的唯一方法
質子束有一個特點是帶電性的，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電漿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電漿過程，普通的相機是照不到的。而質子束因為有穿透性，穿過去的時候，質子束感受到裏面的磁場和電場就會發生偏轉，如果我們根據一定的數學計算把偏轉反演回去，就可以探測到電漿中的電場和磁場以及動力學的變化過程。
▲奈米刻蝕
另外，雷射的焦斑特別小，可以小到微米量級、奈米量級，1微米等於10-6公尺。雷射可以進行奈米刻蝕，這是科學家在頭發絲上刻的「我們的奮鬥」五個字。
▲雷射引雷
雷射還可以進行天氣幹預，如果未來雷射技術發展得足夠好，還可以進行雷射引雷。超強超短雷射的光強特別高，穿過空氣的時候會游離成電漿。
什麽是電漿？帶電粒子、質子、離子、電子都是電漿。這束雷射相當於一根「電線」，如果這時有雷電發生，雷電的能量會沿著這根「電線」傳輸下來。如果我們能在地面上建造足夠大的儲能罐，那麽雷電的能量就可以被我們人類所利用，產生新一代的清潔能源。
▲雷射誘導降雪
我們也可以進行雷射誘導降雪，當雷射進入氣室的時候會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。雷射開射半小時甚至一個小時以後，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，如果雷射器未來發展得足夠好，我們是不是可以發射一束雷射到天空中，形成一個小區域的雷射誘導降雪，由小區域再影響到更大的區域，從而實作天氣的整體變化呢？科技永遠會給我們帶來不可思議的一些東西。
▲基礎物理研究的平台
未來發展10PW、100PW的雷射器可以進行多方面的研究，尤其是基礎物理研究平台，可以研究宇宙中的Gamma射線暴、電子加速、撕裂真空實驗、暗物質以及太赫茲新放射線源的產生。
最後，我作為一名普通的科研工作者，想跟大家一起交流一下到底什麽是科研？我認為科研是研究大家認為不可思議的東西，它越不可思議、越匪夷所思就越有價值。
但這也決定了科研的本質可能是枯燥的，甚至是痛苦的。但是我們如果能夠得到好的科研成果，會非常高興。這就像詩中所說的那樣，漫長的科研過程如同那黑夜，而我們得到科研結果就是光明。
科研對我而言是什麽呢？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。
我對科研可能有兩方面的認識。一方面可能是一種哲學，它帶領我認識這個世界，認識這個世界是怎麽運轉的，並有可能在某個小方向、小範圍之內改造這個世界。大家能想到有什麽事情比改造世界更令人興奮嗎？
另一方面科研也是一種情懷，無關於金錢，也無關於權勢。它可能是帶著我們一起去完成、去尋找認知世界本質的那份虔誠。
我會繼續做科研，也許是為了那份光明，也許是為了我心中那份隱藏的、絲絲的渴望認知世界本質的虔誠。
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