“最亮的光”開始實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)

“這支年輕的隊伍、這些年輕人實(shí)至名歸。”聽到中國科學(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)超強(qiáng)超短激光攻關(guān)青年團(tuán)隊獲得第25屆“中國青年五四獎?wù)录w”的消息后，團(tuán)隊帶頭人、中國科學(xué)院院士李儒新這樣評價道。

上海光機(jī)所超強(qiáng)超短激光攻關(guān)青年團(tuán)隊成立于2016年初。同年8月，他們就實(shí)現(xiàn)5拍瓦激光放大和脈沖壓縮輸出，刷新了激光脈沖峰值功率的世界紀(jì)錄;2017年10月，在國際上首次實(shí)現(xiàn)10拍瓦(1億億瓦)激光放大輸出;2020年12月，建成世界首臺10拍瓦激光實(shí)驗(yàn)裝置，屢創(chuàng)國際最高激光脈沖峰值功率紀(jì)錄……

過去幾年中，該團(tuán)隊不斷刷新世界紀(jì)錄并保持至今。這束“最亮的光”是如何煉成的?這支隊伍又有怎樣的“大目標(biāo)、小故事”?

給自己“加戲”

“這是一種前所未有的實(shí)驗(yàn)工具或?qū)嶒?yàn)手段，有了它，我們就可以在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造極端物理?xiàng)l件，開展許多常規(guī)情況下無法進(jìn)行的研究。”上海光機(jī)所副研究員、上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置主放大器系統(tǒng)負(fù)責(zé)人於亮紅告訴《中國科學(xué)報》。

於亮紅解釋說，光的本質(zhì)是一種電磁波，超強(qiáng)超短激光能產(chǎn)生極端超快的光場，對帶電的電子、質(zhì)子等施加作用，起到類似于加速器的作用。在電子、質(zhì)子等加速過程中，還可以產(chǎn)生一些次級輻射源，如伽馬射線、X射線等，能應(yīng)用于材料研究、癌癥治療等。

正因?yàn)橛兄匾难芯績r值和應(yīng)用前景，超強(qiáng)超短激光領(lǐng)域已成為國際競爭的熱點(diǎn)。我國在超強(qiáng)超短激光領(lǐng)域布局稍晚，但進(jìn)展迅速，2017年初驗(yàn)證了10拍瓦激光放大原理，緊接著就開始實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)。

這時，一個挑戰(zhàn)橫亙在團(tuán)隊成員面前——我國10拍瓦裝置最初設(shè)計的發(fā)射頻率是兩三個小時一次，但此時，歐盟披露了籌建重復(fù)頻率為一分鐘一發(fā)的10拍瓦激光裝置的計劃。

“我們要趕在歐盟前面，就得加快進(jìn)度。同時，原有的部分關(guān)鍵技術(shù)路線行不通了。”團(tuán)隊成員之一、上海光機(jī)所研究員許毅對《中國科學(xué)報》說，“如果采用原來經(jīng)過驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)(兩三個小時發(fā)射一次)，率先建成裝置的概率比較大，但可能建成以后，技術(shù)指標(biāo)上就落后于人了。”

在上海光機(jī)所領(lǐng)導(dǎo)和團(tuán)隊負(fù)責(zé)人的支持和帶領(lǐng)下，團(tuán)隊成員決定挑戰(zhàn)建設(shè)每分鐘發(fā)射一次的10拍瓦激光實(shí)驗(yàn)裝置。

“當(dāng)時項(xiàng)目本身的任務(wù)已非常緊張，而且按照原來的設(shè)計，完全可以順利通過驗(yàn)收，并獲得非常好的評價。”許毅坦陳，“在項(xiàng)目進(jìn)行的過程中，自己給自己‘加擔(dān)子’的情況確實(shí)非常少見。”他為團(tuán)隊“有擔(dān)當(dāng)、有魄力、有勇氣”而自豪。

“現(xiàn)在，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)三分鐘發(fā)射一次的10拍瓦輸出。”於亮紅透露，“預(yù)計很快就能實(shí)現(xiàn)每分鐘發(fā)射一次。”

特殊的中秋聚餐

因?yàn)橛掠诮o自己“加戲”，這個團(tuán)隊屢創(chuàng)第一。2018年1月，《科學(xué)》發(fā)表評論文章認(rèn)為，中國引領(lǐng)了這一方向的研究。

成績是干出來的。會“加戲”的團(tuán)隊必須能加班。

“加班這種事情在那些年里，基本上是常態(tài)。”於亮紅說，“用起早貪黑、廢寢忘食來形容一點(diǎn)都不夸張。”

10拍瓦激光實(shí)驗(yàn)裝置建在浦東張江高科技園區(qū)，離上海光機(jī)所50多公里。園區(qū)建立之初，配套的基礎(chǔ)設(shè)施還不完善，研究人員坐地鐵通勤，單程差不多需要兩個小時。

即使這樣，團(tuán)隊仍形成了一條不成文的作息制度：早上8點(diǎn)半到深夜12點(diǎn)。為節(jié)省時間，很多人干脆住在園區(qū)，一兩周才回一趟家。

10拍瓦激光實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)伊始，從理論研究、器件選擇、材料加工到工程施工，諸多問題接踵而來。

鈦寶石晶體元件相當(dāng)于超強(qiáng)超短激光裝置的“心臟”。當(dāng)時歐盟也在做10拍瓦裝置，核心部件要等輸出完成后才會向外提供。在這種情況下，上海光機(jī)所決定自己攻關(guān)。2017年，他們成功研制全球最大尺寸、直徑達(dá)235毫米的鈦寶石晶體。

“為節(jié)約加工部件的時間，器件或材料一運(yùn)到，不管早晚，團(tuán)隊成員立刻讓它進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。”於亮紅說，“當(dāng)時很多材料都是晚上九十點(diǎn)才運(yùn)來，經(jīng)過清洗等一些特殊流程，進(jìn)到實(shí)驗(yàn)室基本上已經(jīng)晚上12點(diǎn)了，所以加班到凌晨是常態(tài)。”

2017年的中秋，大家原計劃一起過節(jié)，放松一下。然而，到了中秋時，一個關(guān)鍵技術(shù)正在驗(yàn)證，驗(yàn)證一旦中斷，需要從頭開始，這會花費(fèi)更多時間。于是大家一致決定，不外出聚餐，改吃外賣。

晚上7點(diǎn)多鐘，外賣陸續(xù)到齊，團(tuán)隊負(fù)責(zé)人為大家?guī)砹嗽嘛?。加班人員分成兩撥，一撥留在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，一撥到實(shí)驗(yàn)室門口“享受”特別的中秋聚餐，之后再互換。

月餅是什么餡料大家已不記得，但於亮紅當(dāng)天加班到深夜、蜷縮在辦公室躺椅上睡著的情景，卻被同事拍了下來，留存至今。

凝心聚力爭第一

“當(dāng)時就憋著一口氣，豁出去了，要做到世界第一。”談到團(tuán)隊的凝聚力，許毅說，“因?yàn)橛羞@樣一個目標(biāo)，才能把一群不同學(xué)歷、不同背景的人凝聚在一起，發(fā)揮最大作用。”

該團(tuán)隊有50多名成員，超強(qiáng)超短激光裝置有五六個大系統(tǒng)，成員分為6個組。

“裝置是個整體，必須把這些系統(tǒng)和人員高效組織起來。如果一個人或一個系統(tǒng)出現(xiàn)問題，會大大延遲項(xiàng)目的進(jìn)展。”於亮紅說，“為保證整個系統(tǒng)之間的分工和協(xié)作，團(tuán)隊創(chuàng)設(shè)了獨(dú)特的例會制度和溝通協(xié)作機(jī)制。”

“超強(qiáng)超短激光大科學(xué)裝置不但有非常大的工程建設(shè)工作量，還有巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。從技術(shù)原理驗(yàn)證、樣機(jī)研制及測試，再到物理平臺建設(shè)，整個過程只用了五六年。從晚于國外立項(xiàng)到率先突破技術(shù)指標(biāo)，這其中有三種精神：一是團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神，二是勇于挑戰(zhàn)的精神，三是甘于放棄的精神。”團(tuán)隊成員之一、上海光機(jī)所副研究員彭宇杰告訴《中國科學(xué)報》。

“10拍瓦激光實(shí)驗(yàn)裝置國際上從未實(shí)現(xiàn)過，大家必須離開自己的‘舒適區(qū)’。”彭宇杰說，“很多人即便不參與這個項(xiàng)目，在原有的工作崗位上也能發(fā)揮很大的作用，做很好的研究，發(fā)表高水平的文章，按時上下班，有時間陪家人。但大家心甘情愿、義無反顧地參與到項(xiàng)目中來，這本身就難能可貴。”

“過程很辛苦，但做出成果后，大家都很興奮，也覺得很值得。”於亮紅說，“憑借‘激光在我手上，家國在我心中’的精神和情懷，大家舍棄了不少，同時也收獲了很多。”

目前，團(tuán)隊提出在硬X射線自由電子激光裝置上建設(shè)以100拍瓦超強(qiáng)超短激光為核心的極端光物理線站，并獲得立項(xiàng)。《科學(xué)》評價稱，“中國團(tuán)隊正切實(shí)引領(lǐng)通往100拍瓦激光的道路”。

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