大家能想到有什么事情
比改造世界更令人兴奋吗？
王文鹏 · 中国科学院上海光学精密机械研究所副研究员
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。
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。大家可能对最近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。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。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。中科院上海光机所早在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。2023年有可能会实现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，可以达到光速。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。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。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。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。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。
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