书写皮秒拍瓦时代激光科技新篇章︱走近科学
本栏目由“世界科学”和“赛先生”联合出品
朱健强研究员（右）
朱健强研究员领衔完成的“高能皮秒拍瓦激光系统”项目摘得2018年度上海科技进步一等奖，对这一足以显示国之重器价值的重大科学工程项目，媒体做了很多报道，这些报道也勾起了我18年前对朱健强做启明星采访的美好回忆。
当时37岁的朱健强受命出任中科院上海光学精密机械研究所（以下简称上海光机所）常务副所长。记得采访时更多是从作为掌门人的他如何根据中科院知识创新工程的总体要求,制定光机所未来5年的发展战略及相应的人才战略，带领这个有彪炳业绩的研究大所迈向新的辉煌。而对于他本人的科研工作及亮点未多着笔墨。
所以，当上海市科委的重大科研工作科普化项目邀我对朱健强等完成的这一成果作科普化解读时，我欣然答应，因为这使我有机会再度和朱老师见面，听他介绍这项工作的来龙去脉及近些年来的新进展，弥补2002年那次启明星访问的缺憾。
什么是皮秒拍瓦激光系统？
从概念到样机，跻身国际竞争
朱健强说，纵观由光栅对压缩脉冲的技术演进到最终导致激光系统问世可以清晰看出，一个系统从概念提出到制备上可实现到最后可用、好用要克服许多技术障碍，其中尤为重要的是关键元器件的研发制备：
“每项技术进步都是多种技术集成的结果，这其中科学思想、概念的提出起了牵引作用，但同样重要的是要有人去解决制作中的难点，克服一个个障碍才能真正带来革命性的改变”。
回过头来看，围绕高能皮秒拍瓦激光系统建设的这场国际科技竞赛中，中国科学家不但没有缺席，而且在若干重要方向和领域做到了国际前沿水平。
随着朱健强的回溯，我们可以大致梳理出中国科学家在这一国际科技竞赛中的作为：上海光机所是从20世纪90年代初就有这样的想法并开始进入这个领域，从演示系统一直做到系统方案完成。
当年（1991年），朱健强刚到光机所攻读博士，他的两位导师之一的陈绍和研究员（另一位导师是邓锡铭院士）那时就提出激光放大技术的想法，这比LLNL的人都早。朱健强至今记得陈老师当时兴冲冲来提他的想法的兴奋神情：
“陈老师提出的这个科学构想后就作为我的博士课题来做实验。我在看文献时知道莫罗早在80年代就提出用光纤去产生宽带脉冲的啁啾方案，但实验过程中产生的很多非线性高阶效应，导致脉冲压缩后信噪比很差而无法实用。”
为解决光纤中非线性过程所产生的信噪比退化难题，朱健强尝试用负反馈产生的稳态锁模的皮秒脉冲，开展展宽、放大和压缩实验，走通了基本原理的判断。后来随着激光技术发展，宽带脉冲种子源也得以解决，这样就进入到实验和工程阶段。上海光机所也因此成为当时领域内国际同行关注的一个有实力的研究团队。
2020年1月14日访问美国罗彻斯特大学激光力学能实验室
在“快点火”研究中占一席之地
国内疫情状况
回顾整个项目近30年的实施推进过程，朱健强感受最深的是其中的核心器件——大尺寸（米级）光栅器件的自主研制，这种脉冲展宽压缩过程中必不可少的核心器件美国对我们是禁运的，所以只能靠自己研发。
在国家863计划部署支持下，这个由上海光机所牵头，在清华大学、中国科技大学（简称中科大）、苏州大学等机构的通力合作下实施的核心器件研发项目只用了短短几年（2007—2010年）就取得了突破性进展，包括了光栅制作涉及理论计算（清华大学为主），大口径涂膜和曝光工艺（苏州大学为主），光栅基板（上海光机所为主）和最终的离子刻蚀和清洗（中科大为主）：
“这种优势互补的合作非常可贵且重要。关键是要有人，要有点石成金的战略思维和组合能力。力量分散做不成大事。另外，如果能从国外购买，我们的研发能力也无从建立起来。从这个意义上讲，禁运催生、促进了我们内生的创新动力和能力。那时的人都憋着一股劲，就想做这件事。而且一旦我们痛下决心干，我们中国人一定能做好。”
中国同行工作获诺奖得主引用
话题回到高能皮秒拍瓦激光系统的进展中来。朱健强介绍，
信噪比达到能开展实质性工作的水平；
中子产率获得率达到国际最高水平；
快点火研究也取得了突破性进展：激光聚变研究团队在上海光机所神光Ⅱ升级SGⅡU上创新性地采用间接驱动打靶方式对靶丸进行预压缩，克服了传统快点火用激光直接烧蚀靶丸的诸多缺陷，获得的内爆中子产额增加了280倍，达到同等能量条件下的最高水平，显著地提升了快点火的能量耦合效率，即在纳秒时间尺度内实现了高温点火。这个过程原来的方式相当于柴油发动机，在压缩汽化燃料的同时实现升温至自燃，现在快点火相当于汽油机，其中的皮秒拍瓦相当于火花塞。快点火把高温高密度两者互逆的难题给解耦了。
莫罗本人和诺贝尔基金会网站在刊登的2018年诺贝尔物理学奖成果介绍中都引用了中国同行的工作，朱健强认为这也代表了国际顶尖科学家对中国同行工作的激赏和认可。
而光学领域在21世纪的18年里6次获得诺奖也使得飞秒、皮秒激光加速走向工业、临床医疗等方面的应用。
激光科技造福民生前景无限
目前医疗应用中最有效的是激光外科，如治疗近视，无论老花、近视用飞秒激光做视力矫正，都有望取代眼镜。这在国外已经很实用了。原先的激光治疗就是短脉冲把近视变成视力正常，现在发展到不仅可矫正视力，而且能解决眼睛老花，其原理是把成像范围拓宽了。
美容领域的润肤亮肤、黑色素祛除、文身去除等早就用了激光技术。
还有文物修复领域从原来的化学清除现在可以做到无损清除。激光能有效去除文物表面的污渍，帮助恢复到物品的原始状态。”
努力实现几代物理学家的聚变能源梦
采访临近尾声。采访提纲中最后一个问题使得话题再次回到高能皮秒拍瓦激光系统，即随着高能皮秒拍瓦激光系统物理目标的实现可以带动的工作很多，接下来朱健强和他的团队最想做的是什么。
可能这个问题正对上朱健强近期工作的兴奋点，所以马上引出他以下的介绍：正是我们前期的这些工作催生了中国科学院的一项先导A类计划。
所谓先导A类计划是中国科学院前些年开始推出的通过对遴选的若干重大项目给予重点支持，使得我国在该领域走向世界前沿。这一先导计划的主要思想源于张杰院士1997年提出的科学构想，但一直无法通过实验来验证。
2017年在科学院的一个场合下，两位科学家不期而遇聊到希望用一种简单有效的解决方案来实现点火途径，最终使聚变能源得以实现这个话题。共同的学术兴趣和追求，特别是高能皮秒拍瓦激光系统和“神光Ⅱ升级装置”已具备的能量，立即点燃双方的激情，决意共同推进快点火研究。
2020年4月25日，先导物理实验团队在实验现场合影，中间为张杰院士
在中科院先导计划支持下的这一中国快点火方案2019年提出后立即得到国际同行的高度关注，并很快与国际同行签订了一项以我国为主的“高能量密度物理”的大科学计划，参加者有英、美、日、法、捷克等国家：
“这个国际大科学计划的平台在我们光机所，其愿景是实现点火目标及实现途径，为聚变能源实现做铺垫。这也是几代物理学家的夙愿。”
从1991年进入上海光机所师从陈绍和、邓锡铭老师进入高能皮秒拍瓦激光系统研发领域到2019年5月摘取上海科技进步一等奖桂冠，从1993年研制出高能激光系统样机到20年后主持研制出我国首个快点火实验装置——高能皮秒拍瓦激光系统……朱健强是我国激光技术不断发展的见证人和引领者。我们也期待进入皮秒、拍瓦时代的中国激光科技能书写更恢宏的篇章。
“世界科学”联合“赛先生”等微信公号，在上海市科学技术委员会资助下，开辟“走近科学”栏目，对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。
本篇围绕2018年上海市科技进步一等奖——“高能皮秒拍瓦激光系统”项目，该奖项由中科院上海光学精密机械研究所朱健强领衔的团队获得。
