長久以來，讓激光變得“超強”是科學家們努力的方向。兩年前的諾貝爾物理學獎，將“啁啾脈沖放大技術（CPA）”這個略顯拗口的名字帶進了公眾視野。正是基于這項技術，位于上海張江的超強激光已達到10拍瓦級，并向百拍瓦級激光穩步邁進。
中國科學院上海光學精密機械研究所沈百飛項目組耕耘超強激光與物質相互作用逾30年，取得了多項引領性研究成果，成為上海超強超短激光實驗裝置與國家重大科技基礎設施硬X射線自由電子激光裝置中“極端光物理線站”設計的重要依據。在日前舉行的上海市科學技術獎勵大會上，“超強激光驅動粒子源與新光場”項目被授予2019年度上海市自然科學獎一等獎。
尋求突破 發展潛力大
“國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）在預測今年重要科學領域的趨勢及挑戰中提到，超強超短激光的出現使我們能夠在實驗室創造前所未有的極端物理條件，開創了很多新的研究方向。”沈百飛介紹。
據悉，超強激光驅動粒子源具有加速能力強、束源小、流強高的特點，在聚變快點火、質子成像、癌癥治療等方面具有重要的應用價值與發展潛力。
在超強激光物理領域，離子加速是一個極為重要的研究方向。不過，這幾年的發展并不順利。“目前最為成熟的機制叫做‘靶后鞘層加速’，它有能量小、轉換效率低、能譜寬等缺點。在近20年的時間內，質子能量增長不到一倍。”沈百飛說。如何突破原有機制的局限，是超強激光離子加速的核心挑戰。
啃硬骨頭 屢獲重大突破
近年來，隨著激光強度的提高，強激光驅動正電子源逐漸成為可能，這項工作也迅速得到國際上的廣泛關注。“2016年，我們在國內首次實現激光驅動正電子的產生，這是在我們超強激光反物質物理、正負電子對撞研究等方面的重大突破。”沈百飛興奮地表示。
科研人員敢“啃最硬的骨頭”，開辟了強場渦旋激光物理這一新的前沿領域，成為國際關注焦點并得到了實驗驗證。“渦旋激光將平直波面變成螺旋狀，其強度分布則是中空結構，它的重要特點是具有軌道角動量。”沈百飛說。項目組還突破傳統光學方法的損傷閾值限制，在國際上首次提出“光扇”靶結構，將渦旋光研究推進到超強激光領域。
一張帆船在大海中航行的圖片，總被沈百飛用來解釋幾者間的關系。“超強激光的光壓可驅動離子加速，就如同風驅動帆船；而超強渦旋激光提供了角動量這一全新的維度，猶如為帆船增加了舵。”
此外，項目組首次提出“光扇反射”產生超強渦旋激光的方法，并提出兼具高強度、短波長、高角量子數的渦旋高次諧波理論機制，獲得實驗驗證。
接續奮斗用好“屠龍劍”
這些成果的背后，是老中青三代人的接續奮斗。沈百飛的導師是我國超強超短激光與強場物理新領域的奠基者與領頭人徐至展院士，他的不少學生已成為中國超強激光科學領域的骨干科學家。而沈百飛也已培養博士生20余名，這些青年才俊也正接過前輩傳下的接力棒。
上周末，在中科院上海光機所第十六屆公眾科學日的“激光之最”環節，首先與大家見面的就是超強超短激光裝置。所謂“超強”，是激光脈沖峰值功率達到拍瓦級；所謂“超短”，是脈沖寬度達到數十飛秒級（1飛秒=1千萬億分之一秒）。功率如此之高的激光，能在實驗室里創造出類似于恒星內部、黑洞邊緣的極端條件，在許多科技領域有重要價值。
在沈百飛眼中，超強超短激光裝置是“屠龍劍”。如今，坐落于張江的上海超強超短激光實驗裝置已經基本建成。而以100拍瓦超強超短激光為核心的硬X射線自由電子激光裝置也正抓緊建設。
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