又一道耀眼的強光在浦東張江亮起———近日，上海張江綜合性國家科學中心超強超短激光實驗裝置(SULF)完成5拍瓦激光脈沖輸出，這是世界上成功輸出瞬時功率的最高值! 它標志我國在該領域達到了國際領先水平。SULF的下一個目標將是在國際上率先實現10拍瓦激光輸出。
如果把峰值功率1拍瓦的激光聚焦到10微米的大小，其光強就相當于將照到地球上的所有太陽能量聚焦到一根頭發絲上，這是人類已知的最高光強光源。未來數年，SULF將與上海光源、軟X射線自由電子激光一起，組成張江“超級光源”，成為照亮科學前沿、探索技術高地的一大中流砥柱，也為上海建設具有全球影響力的科創中心提供有力支撐。
用微波爐0.1秒能量產生反物質
換上白大褂，套上鞋套和頭套，經過風淋房，記者走進位于上海科技大學教學樓的中科院上海光機所-上科大超強激光光源聯合實驗室。
萬級超凈實驗室里，各種各樣的反射、濾光玻璃，以及不銹鋼真空管道、壓縮器，放滿了實驗桌。如果不打開光源，沒有任何連接的玻璃，看起來似乎是隨意擺放的，其實它們的所有擺放位置都經過十分精確的調試。
實驗室分為兩間，一間是光源初始的地方，閃爍的綠光通過處理，頻率變得符合科學家的需要，能量增加到7焦耳。此時，它通過墻上的一個圓孔來到另一個房間，在這里，它將被增強為在飛秒級時間內爆發出拍瓦級強大功率的超級激光。
1拍瓦相當于1秒鐘內釋放出1千萬億焦耳的能量，這巨大的能量即便將一個小型湖泊的水煮開也綽綽有余。然而，激光脈沖存在的時間卻非常短，只有幾十飛秒，1飛秒即千萬億分之一秒。所以，每個激光脈沖實際包含的能量卻非常小。“我們達到5拍瓦的激光輸出，其實每個激光脈沖能量還不到200焦耳。”中科院上海光機所所長李儒新說，“這只相當于普通微波爐開動高火0.1秒鐘的能量。”
然而，就在這短短的一瞬間，科學家可以利用這特殊的激光，模擬出極端物理環境，比如恒星內部、黑洞邊緣，在實驗室中產生反物質、探測暗物質，進而研究真空———因為我們所認為的真空，其實并不是“真的空”，其中蘊含的奧秘，有待SULF及其升級裝置去揭開。
雙脈沖為鈦寶石晶體注入能量
英國《自然》雜志曾經在2010年預測未來十年重要科學領域的發展方向。
激光領域的五大突破中，有4項與超強超短激光直接相關。
世界各國都在大力發展超強超短激光光源，以及依托其的前沿科技創新平臺，這一領域的國際競爭非常激烈。2012年，歐盟投資8.5億歐元，計劃于2018年建成10拍瓦的激光用戶裝置，開創激光與物質相互作用研究與應用的新時代。美、俄、日等國也紛紛提出各自的百拍瓦級超強超短激光裝置研究設想。
然而，5拍瓦的首次激光輸出，卻被中科院上海光機所—上科大聯合實驗室拔得頭籌。2013年，上海光機所團隊在世界上率先研制成功2拍瓦的激光放大系統，為當時國際最高峰值功率。此前14年，這頂桂冠一直被美國勞倫斯·里弗莫爾國家實驗室所持有。
去年年底，該團隊研制成功5拍瓦激光放大技術驗證系統。“當功率高到一定程度，再提高哪怕一點點，都相當困難。”裝置主要研發人員、上海光機所梁曉燕研究員說，突破的關鍵在于如何將更高能量傳遞給輸出的激光脈沖。
科研人員面對的第一個難題，就是寄生振蕩。當其他光作為能量注入晶體時，總會有些搗亂的光子，它們會在晶體里不按規定路線奔跑，并不斷放大，消耗掉越來越多的能量。科研人員想出辦法，及時消除了這些搗亂的光子。得到高效放大的激光脈沖再被送入真空壓縮罐，壓縮到24飛秒，達到5拍瓦的超高功率。
還有一個技術瓶頸是用于激光放大的晶體材料。要達到10拍瓦功率，就需要制備200毫米以上直徑的鈦寶石晶體，而目前這樣的晶體還沒人能做出來。目前要達到5拍瓦功率，所使用的是150毫米直徑的鈦寶石晶體。上海光機所2014年研發成功這種口徑的鈦寶石晶體，目前正在研發200毫米口徑的鈦寶石晶體。
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