我们在地下30米安了一颗稀有的大宝石，只为输出世界上最亮的光 | 王文鹏——科学讲坛

科研是研究大家认为不可思议的东西，

它越不可思议、越匪夷所思就越有价值。

王文鹏· 中国科学院上海光学精密机械研究所研究员

格致论道第39期 | 2019年5月26日 上海

在许多电影里都有下图类似的武器。

▲图源：《星球大战7》电影海报

这种发光的武器，人们统称它们为激光剑或者激光武器。其实这么叫是不恰当的，因为它本来的设定是晶体通电之后发光的过程。所以叫它激光剑不是很恰当，它和激光一点关系都没有。

认识激光

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我更想把激光比作是“一支纪律严明的光子部队”，它们的频率、方向、波长都一致，很像一支阅兵时走方阵的部队；它们步伐一致，攻击力特别强。而灯光和阳光虽然也含有很多的光子，但都是杂乱无章的，没法形成非常大的攻击力。

因为激光的这种特性，毛主席在1963年的时候曾经说过这样一句话： “死光，要组织一批人专门去研究它。 要有一小批人吃了饭不做别的事，专门研究它。 ”

毛主席把它叫做“死光”，说明这种光肯定有非常独特的一种特性。其实毛主席在一开始鼓励大家做这件事的时候是瞄准激光武器的，1963年的时候毛主席称它为“死光”，而并没有称它为“激光”。那么激光这个词是怎么来的呢？

1960年的时候第一台激光器被制造出来了，当时国外给它起了一个名字，叫“laser”。但是国内许多科研工作者给它起的名字五花八门，有“镭射光”、“受激辐射量子光”和“受激辐射装置”等。 我们的领导人、专家想把它的名字统一化。最后是谁起了“激光”这个名字？是著名科学家钱学森。其实这个名字与它的英文名字laser和功用有很大的关系。

▲激光用处

激光的这些特性到底有什么用呢？我手中的激光笔，距离非常短的时候，它就是一个点，但是我可以把它投射到很远的地方，它仍然保持一个点，而且能量非常集中。这就是利用了激光的方向性好，单色性特别高的特点。

激光还可以用于芯片加工。大家可能对之前的中兴事件和华为事件有所了解，都是涉及芯片的问题，而制作芯片需要光刻机。 现 在 最高端的用于芯片 加工的光刻机，工作原理就是用激光打一个锡液滴，产生极紫外波段的光，然后用透镜 聚 焦起来，在芯片基板上进行刻蚀。 这时候就做出了手机或者电脑上使用的高端芯片。

另外，激光也可以用来做激光武器。据相关报道，在一个地基上建立的激光器可以打到数千米之外的橡皮艇上，差不多1分钟之内就可以将其摧毁。 此外，利用激光还可以驱动蛋白质或者细胞进行运动， 在生物和医学领域有很多应用。

从上图可以看出，1960年第一台激光器发明之后，在一二十年内激光的强度保持平稳，直到CPA技术出现激光的强度才有了飞跃发展。

CPA技术就是啁啾脉冲放大技术。这个技术可以把激光的强度瞬间提高很多。CPA技术到底是个什么技术呢？其实在激光领域要想得到比较高能量的激光输出，需要不断地提高种子光的能量，不断地放大。但是元器件、镜片都有一定的损伤阈值，激光的种子光是不能无限提升的。

好比人通过一扇门时会碰到头，这个问题怎么解决呢？科学家找出了一种方法——“一躺解千愁”，让人躺着过去、爬着过去，爬的过程中给他一副高跷，过了门以后再让他立起来。激光在放大之后就远远高于种子光的光强了。

CPA技术（啁啾脉冲放大技术）是由Mourou和他的学生Strickland在1985年左右发明的。当时有一个非常有意思的故事，他的学生Strickland在实验室里做实验的时候，无意中想到一个方法，就是用啁啾脉冲进行激光放大，以此解决激光放大元器件损伤阈值不高的难题。

▲ 2018年诺贝尔物理学奖获得者

她把原来用于雷达里的啁啾脉冲放大技术应用到了激光领域，用非常简单的实验光路完成了实验。当她把这件事告诉她的导师Mourou的时候，Mourou觉得很有意思，但是他根本没有想过几十年后竟然因此获得2018年的诺贝尔物理学奖。

他们当时发现的CPA技术只是发表在了OC（Optics Communications）期刊上，影响因子只有一点几，是一篇非常普通的文章。但是在2018年却获得了诺贝尔物理学奖。这告诉我们一个什么道理呢？

诺贝尔物理学奖或者说诺贝尔奖并不是那么高深莫测，最重要的是原创性。原创性的东西如果后来被大量的人使用，得到更大的发展，从而对人类社会起到很大的推动作用，它就配得上诺贝尔奖。 我觉得在座的许多小朋友，你们许多非常奇特的想法要坚持下去，把想法坚持下去， 说不定 多年后你也 可以获得诺贝尔奖。

诺贝尔物理学奖获得者Mourou跟我们的交集还是蛮多的，2017年，他被邀请到我们的实验室来观看超强超短激光，同时，他还被邀请到上海科技大学进行交流。 2018年12月，他获得了诺贝尔物理学奖。 2019年在SPIE国外会议上，我再次见到他，还邀请他拍了合照。

可以看到从2017年到2019年，Mourou有了很大的变化，最大的变化是什么呢？2017年，他穿的是黑色西服，2019年，他穿了非常时尚的红色西服，变成“红人”了，这是因为2018年12月他获得了诺贝尔物理学奖。 现在Mourou在国际上做完报告以后，许多科研工作者都会邀请他一起合影，我就是其中之一。

什么是超强超短激光

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从名字上就可以看出来，超强超短激光有两大特点：第一大特点是超强，激光的强度特别高，光强可以达到1021W/cm2。

打一个非常形象的比喻，假设地球外面有一个非常大的透镜，可以把照射在地球上所有的太阳光聚焦到头发丝这么小的尺度上，这时候的光强就是激光所能达到的程度。

第二大特点是超短，激光的脉宽特别短，这里的脉宽是指激光存在的时间可以达到飞秒量级，1飞秒等于一千万亿分之一秒。就是因为激光可以被压缩到这么小的时间尺度，所以它的光强才如此之高。

以前我经常给国内外的来宾或小学生讲解实验室。有一次一批小学生来参观实验室，快结束时，我启发性地问了他们一个问题，我说为什么超强超短激光的光强如此之高呢？

这时候有一个小朋友特别聪明，我特别喜欢他的答案，他说“浓缩的就是精华”。确实是这样，因为激光在时间尺度上超级浓缩，在空间尺度上也可以聚焦到一个非常小的焦斑，所以强度才如此之高。

同时，激光功率也是非常高的，是全球电网平均功率的4000倍。大家看到这个数据可能心里会有很多疑问，既然它是全球电网平均功率的4000倍，是不是激光开启之后全球就没有电了呢？其实并不是这样的。

我们在这里给出来的是功率的概念，而电量的概念是功率乘以时间。前面说过激光的另一大特点就是超短。这么大的功率乘以那么小的飞秒时间尺度，得到的电量并不是很大，所以激光开启之后，全球仍然有电。

世界上许多发达国家包括美国、日本、韩国等都在竞相进行10PW甚至100PW激光器的研制。中国科学院上海光机所早在2016年的时候就得到了5.3PW的超强超短激光，打破当时的世界纪录。2017年，我们得到了10PW的功率输出，也是世界第一。

最近，上海市和国家共同投资一个89亿元的项目，超强超短装置在这里面申请到了6亿元，在地下30米的地方，将要建设100PW的激光。未来有可能会实现100PW的功率输出，到时候我们仍然想占据世界第一的位置。

▲SULF上海超强超短激光实验装置

这就是新建的10PW实验室，在上海科技大学的旁边。我们不仅建设了超强超短激光，在后面还建立了三条束线来做不同的物理实验。

其实这么大的科学装置有很多关键技术等着我们去解决，包括高能量宽带脉冲放大和压缩、光谱整形、光束时域和空域质量控制、系统集成等。

这里面具有代表性的是钛宝石晶体，它是激光器的心脏。有了它，激光才能从比较弱能量的种子光不断地放大，最后形成5PW、10PW甚至100PW的激光。

但是这么大口径的钛宝石晶体，发达国家和公司对我们是禁运的。非常幸运的是，光机所不仅能够制造大的科学装置，从原始的材料、晶体到镀膜、机械加工都是自给自足的，这才支撑光机所在世界上能够不断占据第一的位置。

其实钛宝石晶体的原始材料是没有颜色的，就是因为放大的需要掺了钛元素才呈现“瑰红色”，那它是不是和珠宝店里的宝石差不多呢？

其实是差不多的，只不过珠宝店的宝石是天然的，而钛宝石是人工的。钛宝石的纯度要比天然宝石的高得多，色泽均一性都高于天然宝石。 只不过大家传统的观念里认为天然的都是稀有的， 其实钛宝石晶体更加稀有，它关系着我们国家命运的发展，是国之重器的心脏。

超强超短激光的应用

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利用激光器可以进行很多应用，可以利用超强超短激光和薄膜靶加速里面的质子。工作原理很简单，大家都知道风吹着帆，船会往前走，激光也可以推动薄靶板往前走来加速质子。

在这里激光就和风一样，质子就和船一样不断加速。只不过因为激光特别强，加速起来的速度比船的速度要快得多，可以达到接近光速。

▲ 传统化疗的弊端

我们不断地加速这么高能量的质子束到底有什么用呢？最重要的应用就是质子医疗。传统的化疗和放疗有一个弊端，在治疗的过程中会把癌细胞和健康细胞全部杀死。

一个癌症病人最后去世并不是癌细胞把病人杀死的，而是在化疗的最后，健 康细胞被大量消耗，免疫力下降，普通的病毒或感冒就可能要了癌症病人的性命。

质子束最大的特点是指哪儿打哪儿。打一个非常形象的比喻，假如有100MeV能量的质子束只在人体内部5厘米的地方进行沉积，它在过深过浅或周围的地方都不沉积，这就大大保留了癌症病人健康细胞的数量，从而大大提升了癌症病人的存活概率。

▲ 质子医疗

质子医疗在上海市很早就建立起来了，上海市质子重离子医院已经成功地进行质子医疗的工作。

这家医院于2004年开始调研，2014年进行了第一例癌症病人的治疗，效果不错。现在一个疗程大概需要三四十万元，非常贵。但是排队等待治疗的人很多，为什么呢？因为疗效确实好，对癌症病人的身体伤害程度也较低。

质子重离子医院因为需要依托传统加速器，所以一般会在非常庞大的线性加速器旁边建立医院。传统加速器占地面积大，耗资非常多，而超强超短激光的加速度是传统加速器的1万倍。

目前世界上最发达的加速器是在欧洲，横跨三个国家，周长是27千米。按照1万倍的加速梯度，用超强超短激光2.7米就可以获得类似的结果。 在未来，有可能在医院的一个屋子里就可以产生或者研制出台式化的 质子医疗仪， 服务于人类的健康事业。

质子束不仅能够进行质子医疗，还可以进行质子束成像。我要感谢一只蜻蜓。其实每次做实验的时候，我们的压力特别大。有一天，我的压力也特别大，因为激光器不是特别好，质子束的能量比较低，实验做不出来。

▲ 质子成像

我有一个习惯，中午的时候喜欢打一会儿斯诺克。这一天突然有一只蜻蜓掉到了我的桌子上，我就想利用能量这么低的质子束是不是可以做一些应用呢？所以我把它抓到了实验室，然后利用这个质子束对它进行了成像。

我们都知道蜻蜓的翅膀、头部和尾巴都有不同的结构、密度和厚度，高能质子束穿过去的时候会有不同的透射率，如果我们在后面加一个探测片的话，可以得到完整的蜻蜓成像，同时空间分辨率可以达到微米量级。

▲ 最“贵”的照片

达到微米量级是非常小的空间分辨率了，这种技术未来也可以用于早期癌症细胞的探测。健康细胞和癌细胞在形态、厚度、密度上都有不同，如果我们能拿到对照组用质子束打过去，就可以分析癌症病人的病情。

▲ 质子成像是当下探测等离子体中电磁场的唯一方法

质子束有一个特点是带电性的，像现在用的手机和照相机是光子的，光子是不带电的。质子束成像是当下探测等离子体中电磁场的唯一方法。

“人造小太阳”托卡马克装置是高密度的等离子体过程，普通的相机是照不到的。而质子束因为有穿透性，穿过去的时候，质子束感受到里面的磁场和电场就会发生偏转，如果我们根据一定的数学计算把偏转反演回去，就可以探测到等离子体中的电场和磁场以及动力学的变化过程。

▲ 纳米刻蚀

另外，激光的焦斑特别小，可以小到微米量级、纳米量级，1微米等于10-6米。激光可以进行纳米刻蚀，这是科学家在头发丝上刻的“我们的奋斗”五个字。

▲ 激光引雷

激光还可以进行天气干预，如果未来激光技术发展得足够好，还可以进行激光引雷。超强超短激光的光强特别高，穿过空气的时候会电离成等离子体。

什么是等离子体？带电粒子、质子、离子、电子都是等离子体。这束激光相当于一根“电线”，如果这时有雷电发生，雷电的能量会沿着这根“电线”传输下来。 如果我们能在地面上建造足够大的储能罐，那么雷电的能量就可以被我们人类所利用，产生新一代的清洁能源。

▲ 激光诱导降雪

我们也可以进行激光诱导降雪，当激光进入气室的时候会形成相反转动的涡旋，这里的水汽高速地碰撞，导致了雪凝的现象。激光开射半小时甚至一个小时以后，在靶壁上可以看到有大量的雪花存在。

大家可以尽情地想象，如果激光器未来发展得足够好，我们是不是可以发射一束激光到天空中，形成一个小区域的激光诱导降雪，由小区域再影响到更大的区域，从而实现天气的整体变化呢？科技永远会给我们带来不可思议的一些东西。

▲基础物理研究的平台

未来发展10PW、100PW的激光器可以进行多方面的研究，尤其是基础物理研究平台，可以研究宇宙中的伽马射线暴、电子加速、撕裂真空实验、暗物质以及太赫兹新辐射源的产生。

最后，我作为一名普通的科研工作者，想跟大家一起交流一下到底什么是科研？我认为科研是研究大家认为不可思议的东西，它越不可思议、越匪夷所思就越有价值。

但这也决定了科研的本质可能是枯燥的，甚至是痛苦的。但是我们如果能够得到好的科研成果，会非常高兴。 这就像诗中所说的那样，漫长的科研过程如同那黑夜，而我们得到科研结果就是光明。

科研对我而言是什么呢？以前有人问我的时候，我得不到令自己幸福的答案，但我最近好像得到答案了。

我对科研可能有两方面的认识。一方面可能是一种哲学，它带领我认识这个世界，认识这个世界是怎么运转的，并有可能在某个小方向、小范围之内改造这个世界。大家能想到有什么事情比改造世界更令人兴奋吗？

另一方面科研也是一种情怀，无关于金钱，也无关于权势。 它可能是带着我们一起去完成、去寻找认知世界本质的那份虔诚。

我会继续做科研，也许是为了那份光明，也许是为了我心中那份隐藏的、丝丝的渴望认知世界本质的虔诚。

本文转载自《格致论道讲坛》微信公众号

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