原標題：世界最強：我國超強超短激光實現(xiàn)10拍瓦放大輸出【觀察者網(wǎng)綜合報道】10月24日晚，中科院上海光機所和上?？萍即髮W(xué)超強激光光源聯(lián)合實驗室傳出喜訊：上海超強超短激光實驗裝置（SULF）的研制工作取
【觀察者網(wǎng)綜合報道】10月24日晚，中科院上海光機所和上?？萍即髮W(xué)超強激光光源聯(lián)合實驗室傳出喜訊：上海超強超短激光實驗裝置（SULF）的研制工作取得重大突破，成功實現(xiàn)了10拍瓦激光放大輸出，這是目前已知的世界最高激光脈沖峰值功率，達到國際同類研究的領(lǐng)先水平。
這是SULF裝置2016年8月實現(xiàn)5拍瓦國際領(lǐng)先之后再次取得重大進展。SULF裝置計劃于2018年底全面建成，2019年對用戶。
超強超短激光的科技前沿應(yīng)用極為廣泛，故國際上多個國家投入巨資開展10拍瓦級大型超強超短激光裝置的研制，展開激烈的科研競爭。
超強超短激光，一般是指峰值功率大于1太瓦（1太瓦=1萬億瓦），脈沖寬度小于100飛秒（1飛秒等于1千萬億分之一秒）的激光。此次成功實現(xiàn)的10拍瓦激光放大輸出，則等于1億億瓦，相當(dāng)于全球電網(wǎng)平均功率的5000倍。100飛秒是怎樣的瞬間呢？100飛秒相當(dāng)于十萬億分之一秒，即使每秒飛行30萬千米的光，在這么超短的時間內(nèi)也只能走一根頭發(fā)絲粗細的距離。此次激光脈沖寬度經(jīng)過脈沖壓縮器壓縮后僅僅為21飛秒。
去年3月，我國科學(xué)家首次利用超強超短激光產(chǎn)生反物質(zhì)。這還只是超強超短激光應(yīng)用的冰山一角。超強超短激光能在實驗室內(nèi)創(chuàng)造出前所未有的超強電、超高能量密度和超快時間尺度等綜合性極端物理條件，這是之前只有在核爆中心、恒星內(nèi)部、黑洞邊緣才能找到的極端物理條件，可用于研制激光質(zhì)子刀以治療癌癥；制造臺式化電子加速器和產(chǎn)生超快X射線源對蛋白質(zhì)探測成像；研究物理和起源，將來還可能用于真空結(jié)構(gòu)和暗物質(zhì)的探測等。
超強超短激光研究推動著激光科學(xué)、原子物理、等離子體物理、高能物理與核物理等一批基礎(chǔ)與前沿交叉學(xué)科的開拓和發(fā)展。
同時這也將為相關(guān)戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，如高亮度新波段相干光源，超高梯度高能粒子加速器、強場激光核醫(yī)學(xué)、聚變能源、精密測量等提供原理依據(jù)與科學(xué)基礎(chǔ)，對其有著不可替代的強大推動作用。
正是因為超強超短激光在臺式化加速器、超快化學(xué)、阿秒科學(xué)、材料科學(xué)、激光聚變、核物理與核醫(yī)學(xué)、實驗室物理等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值，國際上多個國家投入巨資開展10拍瓦級大型超強超短激光裝置的研制，展開激烈的科研競爭。
歐盟10多個國家的近40個研究院所和科研機構(gòu)聯(lián)合提出Extreme Light Infrastructure（ELI），2012年以來，ELI計劃陸續(xù)啟動了3個子項目的研究，投入經(jīng)費8.5億歐元，計劃于2017年研制數(shù)臺10拍瓦超強超短激光并建成用戶裝置，同時為下一步研制200拍瓦級超強激光大科學(xué)裝置打下基礎(chǔ)，ELI下設(shè)四大研究裝置，分別為捷克布拉格束線裝置（ELI-Beamlines Facility），匈牙利賽格德阿秒裝置（ELI-Attosecond Facility），羅馬尼亞默古雷萊的核物理裝置（ELI-Nuclear Physics Facility），以及尚未定址的超強場裝置（ELI-Ultrra High Field Facility）。
然而，今年3月有報道稱，由于ELI分散的結(jié)構(gòu)以及經(jīng)費問題，200拍瓦級的“巨星”裝置研發(fā)已經(jīng)擱淺。負責(zé)當(dāng)時選址的專家、意大利米蘭理工大學(xué)的Sandro De Silvestri表示，沒有哪個國家能夠承擔(dān)6億歐元的建設(shè)費用。
在2016年11月的ELI顧問委員會上，委員們，在3臺10拍瓦級的激光裝置完成并正常運轉(zhuǎn)前，不再考慮“巨星”的選址問題。而這一拖很可能就要等到2022年。布加勒斯特的ELI監(jiān)督和發(fā)展委員會的副總干事Catalin Miron表示認可這一決議：“這將會促使ELI聯(lián)盟更加專注于我們現(xiàn)階段的任務(wù)。”
巴黎綜合理工大學(xué)的物理學(xué)家、中科院愛因斯坦講席教授杰哈莫羅（Grard Mourou）認為暫停200PW激光器的提議是錯誤的，他認為，這種超高能量密度的激光將會在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域帶來開創(chuàng)性的突破。在這種能量強度下質(zhì)子將會接近甚至達到光速，“”真空，從而能夠利用它研究量子力學(xué)的真空中各種虛粒子。雖然Mourou理解完成其他三個激光裝置的需求，但是他認為推遲發(fā)展更先進的高功率激光技術(shù)將會把這個領(lǐng)域的領(lǐng)先地位拱手相讓給其他國家。他說：“這正是我所擔(dān)心的。”
當(dāng)時，莫羅教授還指出了其他國家的進步，他說，2016年8月，中國上海的一個裝置打破了5.3PW的最高激光脈沖峰值功率記錄，他們也計劃2019年完成10PW的激光裝置建設(shè)，另外100PW的激光裝置也在籌劃當(dāng)中。日本、俄羅斯、美國等國也在進行超高功率裝置的研制。美國科學(xué)家計劃升級其位于紐約羅切斯特大學(xué)的OMEGA EP激光器，使其功率達到75PW。
參與設(shè)計HAPLS裝置的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室科學(xué)家Constantin Haefner聲稱：“這就是一場競賽。”
現(xiàn)在ELI聯(lián)盟需要將分散于三個國家的建設(shè)項目轉(zhuǎn)變成一個完整的面向國際用戶的大科學(xué)裝置，進而從其他國家吸納基金支持用于補充其約8千萬歐元的年運行經(jīng)費。ELI顧問委員會De Silvestri說道：“整合并啟用現(xiàn)有的三個裝置當(dāng)前更為緊要，我們并沒有忘記200PW的第四個裝置，只是我們需要一步一步地來。”
一些估算表明，歐洲的200PW激光器項目將會耗資約10億歐元。但是Mourou正在進行一項技術(shù)研究，通過縮短激光脈沖將10PW激光器成100PW激光器，他表示自己這項研究僅需花費3千萬歐元。他說：“我們之前認為這第四套裝置將會造價高昂，但是如果我們足夠聰明，我們能夠用少得多的經(jīng)費完成目標。”
理論認為，反物質(zhì)只要和正物質(zhì)相遇就會湮滅。因此難以產(chǎn)生和保存，目前科學(xué)家很難在中找到反物質(zhì)，轉(zhuǎn)而在實驗室的極端條件下嘗試獲取，這也成為物理學(xué)領(lǐng)域的熱點和難點。
2016年，中科院上海光機所在國內(nèi)首次成功利用超強超短激光產(chǎn)生一種反物質(zhì)超快正電子源，這一發(fā)現(xiàn)未來將在材料的無損探測、激光驅(qū)動正負電子對撞機、癌癥診斷技術(shù)研發(fā)等領(lǐng)域得到重大應(yīng)用，并入選兩院院士評選的2016年度“中國十大科技進展新聞”。
超強超短激光與一根“頭發(fā)絲”尺寸的微金屬絲相互作用，在產(chǎn)生高能電子束的同時，巧妙地利用電荷分離效應(yīng)構(gòu)建了微型、瞬態(tài)的電子波蕩器，獲得了效率優(yōu)于傳統(tǒng)方案10倍以上的強太赫茲輻射，也為小型化、低成本電子激光器提出全新方案。
中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室于2011年7月15日首次利用電離注入的全光驅(qū)動雙尾波場級聯(lián)電子加速器方案，成功實現(xiàn)了電子注入與電子加速的兩個基本物理過程的分離與控制。
這將是未來實現(xiàn)高性能10 GeV量級甚至更高能的單能電子束的可行方案，特別是對臺式化X射線電子激光等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的推動意義。
質(zhì)子作為一種密度診斷手段，可利用微分截止和散射來顯示樣本靜態(tài)或動態(tài)的密度變化，是目前探測等離子體中電的唯一方法。
中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室升級的拍瓦激光系統(tǒng)已經(jīng)可以成功產(chǎn)生10MeV以上的質(zhì)子束，成功利用飛秒拍瓦激光系統(tǒng)對蜻蜓進行了質(zhì)子成像。
這也是拍瓦激光系統(tǒng)第一次通過縮小物距實現(xiàn)了蜻蜓的清晰成像。獲得了蜻蜓的等比例整體成像，同時分辨率達到微米量級。
“暗物質(zhì)”被比作“在21世紀物理學(xué)天空中的”。它由定律存在，卻從未被直接探測到?？茖W(xué)家估算，中包含5%的普通物質(zhì)，其余95%是看不見的暗物質(zhì)和暗能量。揭開暗物質(zhì)之謎將推動人類解釋的存在和演化。
軸子，是暗物質(zhì)的重要候選者之一。由于它幾乎不和其他物質(zhì)相互作用，至今沒有被觀測到。但超強激光提供的超強電有可能成為探測軸子的科學(xué)手段。
在經(jīng)典物理概念中，它確實是空的，但量子電動力學(xué)（QED）預(yù)言，真空不空，量子漲落無處不在，虛粒子對不斷產(chǎn)生、消失。
真空的神秘特性是QED最令人激動的預(yù)言，未來的激光強度將高達10^23-25瓦/平方厘米，超強的光場可以激發(fā)真空的QED特性，使真空具備物質(zhì)屬性！
超強超短激光與高能光子源結(jié)合，將使人類第一次擁有窺視真空奧秘的機會，其中任何一個發(fā)現(xiàn)，都將是歷史性的。
利用超強超短激光開展控制應(yīng)用研究受到世界上許多國家的高度重視，中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室是國內(nèi)最早開展相關(guān)研究為數(shù)不多的幾家單位之一。
該實驗室的研究人員基于以前的研究基礎(chǔ)，實驗上首次觀察到了激光電暈放電現(xiàn)象并對這一發(fā)現(xiàn)展開了深入的研究。
這一為深入理解高壓電場沿著光絲的發(fā)展和演化過程以至于最終實現(xiàn)激光控制提供了重要的科學(xué)依據(jù)。
（a）高壓電場空氣擊穿放電，（b）激光高壓電場空氣擊穿放電，（c）激光高壓電場電暈放電，（d）激光引雷概念
據(jù)高功率激光物理聯(lián)合實驗室謝興龍研究員回顧，實驗室高功率超短脈沖激光的研究，最早要追溯到1996年，當(dāng)時世界上第一臺拍瓦(美國LLNL實驗室利用NOVA的一，采用CPA技術(shù)獲得了1.24PW的輸出)激光報道之后，實驗室在林尊琪院士的指導(dǎo)下，通過國家863高技術(shù)的支持，依托聯(lián)合室的兩釹玻璃激光系統(tǒng)，于2000年實現(xiàn)了20TW(1ps、20J)的輸出，后來為了配合物理實驗，又增加了一束20J、1.0ns的長脈沖與短脈沖同步運行，這是中國第一臺皮秒級別的高功率超短脈沖激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)從2003年正式運行到2008年總共開展了十幾輪物理實驗，其中超短脈沖轟擊中子靶實驗，獲得了2.4×104的中子產(chǎn)額，這是國內(nèi)第一次該類物理試驗，與國際同期水平相當(dāng)。
中國目前最具代表性和里程碑式的高功率超短脈沖激光系統(tǒng)，是高功率激光物理實驗室于2013年完成的皮秒拍瓦超短脈沖激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前是國內(nèi)唯一可以提供給物理實驗的拍瓦級超短脈沖激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)的概念最早在1998年提出，依托高功率激光物理聯(lián)合實驗室剛剛投入運行的第九激光，采用CPA技術(shù)，實現(xiàn)1kJ、1ps的輸出，并開展ICF快點火的前期研究。系統(tǒng)2008年開始建造，由中國工程院、中國科學(xué)院和863高技術(shù)三家共同支持，2013年實現(xiàn)380J、5ps輸出，2015年實現(xiàn)1kJ、1ps的拍瓦輸出，目前已經(jīng)成功并入神光II以及神光II升級裝置的常規(guī)運行中，每年為物理實驗提供幾百發(fā)的打靶輸出。
2009-2014年間，在國家863高技術(shù)計劃的支持下，高功率激光物理聯(lián)合實驗室開始了800nm波段的高功率超短脈沖激光系統(tǒng)研究技術(shù)預(yù)研，從2013年開始，高功率激光物理聯(lián)合實驗室依托神光II的納秒系統(tǒng)，設(shè)計了工作波長800nm、輸出指標150J/30fs的激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過OPCPA放大單元，最終為物理實驗提供5PW的到靶脈沖能量。該系統(tǒng)2016年完成OPCPA_II放大級的建造和調(diào)試，實現(xiàn)了大于1PW的超短脈沖輸出，并完成了第一輪的質(zhì)子加速物理實驗，下一步的計劃是一邊優(yōu)化激光輸出，在提供物理實驗的同時，完成OPCPA_III放大級的建造和調(diào)試。在800nm波段，該系統(tǒng)目前是國內(nèi)唯一一臺可以提供到靶輸出的的超短脈沖激光系統(tǒng)。
我國高功率激光物理聯(lián)合室在高功率激光和超短脈沖技術(shù)方面的積累，所掌握的技術(shù)已經(jīng)達到了世界的先進水平。
超強超短激光光源的建立與發(fā)展，及其廣泛的前沿應(yīng)用具有重要意義。通過在極端物理條件下對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運動和相互作用進行研究可以使得人類對客觀世界規(guī)律的認識更加深入和系統(tǒng)。
可見，超強超短激光光源的建立與發(fā)展，及其廣泛的前沿應(yīng)用具有重要意義。為保持我國在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，引領(lǐng)相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們正在積極努力、不斷前行。
