挑戰(zhàn)光學(xué)極限

李明麗

阿秒相當(dāng)于10的負(fù)18次方秒，是非常小的時間單位。如果宇宙的年齡是幾百億年，那么10的負(fù)18次方相當(dāng)于其中的1秒。

阿秒激光是指激光的持續(xù)時間只有阿秒的數(shù)量級，因此就可以通過阿秒脈沖控制阿秒時間尺度的物理過程和化學(xué)反應(yīng)。由于阿秒技術(shù)的重要性如同第一臺激光器被制造一樣，能夠在一個層次上提高人們對現(xiàn)有科學(xué)的認(rèn)識，因此，其必將給物理、化學(xué)領(lǐng)域帶來一場革命。

并且，阿秒激光在一定程度上標(biāo)志著一個國家的尖端科技，因此當(dāng)今世界上無論歐洲，美國還是日本都有優(yōu)秀的研究所和大學(xué)在探索——研究阿秒激光。中國自然也不例外，中國科學(xué)院物理研究所光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室就有這樣一個團(tuán)隊，他們在超短激光脈沖研究方面具有很強(qiáng)的實(shí)力和研究基礎(chǔ)，趙昆就是他們當(dāng)中的一員。

趙昆，中國科學(xué)院物理研究所光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員，科研工作主要涉及阿秒光學(xué)、強(qiáng)激光場電離、超快動力學(xué)、高強(qiáng)度飛秒激光以及激光尾波場電子加速。他在美國期間曾在著名阿秒物理學(xué)家常增虎教授的研究小組工作將近六年，參與過廣義雙光選通方法產(chǎn)生阿秒脈沖的工作，所得的結(jié)果是世界上第一個也是至今唯一一個利用不帶空心光纖壓縮的鈦寶石激光器直接產(chǎn)生的單阿秒脈沖。之后，他又主持設(shè)計建造了一套基于磁瓶飛行光電子譜儀的阿秒條紋相機(jī)，并利用雙光選通在此裝置上產(chǎn)生并測量了至今仍然是世界紀(jì)錄的67阿秒最短相干光脈沖，其中，利用相位失配來控制阿秒超連續(xù)光譜的方法為產(chǎn)生更短的阿秒脈沖提供了一個有效的手段。

最快的成長是實(shí)踐

大學(xué)畢業(yè)后，趙昆一直在美國求學(xué)或任職，2009年，他赴堪薩斯州立大學(xué)物理系到常增虎教授的科研組做博士后，這是世界一流的阿秒研究組，在組里的六年時間，為趙昆在阿秒光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

剛進(jìn)組時，正趕上常增虎教授需要有人來設(shè)計并建造一套高精度寬譜阿秒條紋相機(jī)，于是趙昆成為了這一項目的負(fù)責(zé)人。按照常增虎教授的工作習(xí)慣，趙昆要先拿出一套全面細(xì)致的設(shè)計方案。

“好在組里之前有一臺舊的條紋相機(jī)，也是組里同事自己建造的，我在這臺舊的條紋相機(jī)上學(xué)到了很多東西，他們會告訴我當(dāng)初為什么這樣設(shè)計而不是那樣設(shè)計，他們的經(jīng)驗(yàn)讓我少走了很多彎路。”

可即便是有樣可循，該項目的設(shè)計方案還是討論了兩個月之久，“常老師的要求非常嚴(yán)格，他會問到每一個細(xì)節(jié)，他要求我們做事情不僅要‘知其然更要‘知其所以然?！?/p>

俗話說，磨刀不誤砍柴工。方案確定后，趙昆和同事們僅用了一年半的時間，就完成了這臺高精度寬譜阿秒條紋相機(jī)的建造，難能可貴的是，這臺相機(jī)的核心部分——高精度光電子譜儀是趙昆所在研究小組獨(dú)立設(shè)計建造的。

2012年，這臺條紋相機(jī)已經(jīng)投入使用，并且通過采用常增虎教授在偏振選通的基礎(chǔ)上創(chuàng)新的雙光選通產(chǎn)生，并測量得到了至今仍然是世界上最短的相干光脈沖——67阿秒的脈沖。這個結(jié)果證明了雙光選通可以產(chǎn)生很寬的光譜從而壓縮成很短的脈沖?！安粌H如此，在實(shí)驗(yàn)中我們還總結(jié)出對飛秒激光產(chǎn)生的遠(yuǎn)紫外光譜進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的方法，從而可以調(diào)節(jié)和控制所產(chǎn)生的阿秒脈沖的色散，最終得到在給定實(shí)驗(yàn)條件下所能得到的最短脈沖，這也對我們將來進(jìn)一步拓展光譜，產(chǎn)生更短的阿秒脈沖具有重要的指導(dǎo)意義?！壁w昆以第一作者的身份將相關(guān)的文章發(fā)表在2012年9月的《光學(xué)快報》上（Optics Letters），同時被中國《科技日報》、英國廣播公司（BBC）、物理世界（Physics World）、美國?？怂箯V播公司（Fox News）、連線雜志（Wired）等幾十家國際媒體用多種文字報道，至今在google scholar上引用已經(jīng)超過200次，在SCI上也已經(jīng)超過150次。

雖然高精度寬譜阿秒條紋相機(jī)項目給了趙昆很好的成長機(jī)會，但是現(xiàn)實(shí)還是擺在了他的眼前。

在美國，一個實(shí)驗(yàn)室里是不可能有兩個科研負(fù)責(zé)人（Principle Investigator），雖然已經(jīng)晉升為助理教授，但趙昆終究有一天要離開。“我不愿意像很多年輕教授一樣，從擁有大型設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室出來后，因?yàn)橘Y金的問題轉(zhuǎn)行到一些相對技術(shù)要求不高的方向上，我想在我原有的軌道上走下去?！?/p>

這意味著，趙昆需要一個平臺，一個能支持他繼續(xù)阿秒光學(xué)研究的平臺。

最好的平臺在中國

趙昆十分清楚自己需要的平臺是什么樣子，“在這個平臺上我可以繼續(xù)做我的研究，而不是先花費(fèi)三五年的時間搭建設(shè)備。”趙昆并不是吃不起搭建設(shè)備的辛苦，只是以當(dāng)下科技的發(fā)展速度來看，“也許過個三五年，等我的設(shè)備終于建造完成了，也已經(jīng)跟不上技術(shù)的發(fā)展了，這都是說不準(zhǔn)的事情。”

除了硬件實(shí)力，平臺的技術(shù)構(gòu)成也是趙昆比較關(guān)注的。

“雖然我設(shè)計建造過整套的設(shè)備，在探測器和激光器上也有一定的經(jīng)驗(yàn)，但是對于物理這樣一種復(fù)雜的學(xué)科來說，一個人是肯定做不成事情的，你一定會需要很多很多不同的技術(shù)支持?！?/p>

這與物理學(xué)的發(fā)展有關(guān)，“在物理上，定性的討論已經(jīng)被很久以前的前輩們討論過了，如今我們要做的事情應(yīng)該是把定性的理論推到定量方面，這個過程需要非常關(guān)鍵的、特定的、強(qiáng)大的技術(shù)作為支持。而能提供這種技術(shù)支持的正是那些規(guī)模化的研究組的優(yōu)勢?！?/p>

經(jīng)過一番比較，2014年趙昆決定回國加入中國科學(xué)院物理研究所光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魏志義研究組，“魏志義老師搭建了一個非常好的平臺，老實(shí)說在美國都沒有這么好的平臺?！?/p>

趙昆的評價一點(diǎn)也不為過，這一平臺在國內(nèi)阿秒光學(xué)領(lǐng)域首屈一指，曾經(jīng)測出了阿秒脈沖的脈寬，這個技術(shù)至今在國內(nèi)都無人能及。

該團(tuán)隊負(fù)責(zé)人魏志義研究員在飛秒激光的整套技術(shù)上有非常強(qiáng)的實(shí)力，他首次提出并實(shí)現(xiàn)了不同固體飛秒激光的被動同步技術(shù)；測量并實(shí)現(xiàn)了被動同步飛秒激光的載波包絡(luò)相移（CEO）控制；采用系列新技術(shù)研制成功太瓦級的小型化超強(qiáng)超短脈沖激光裝置；利用新的技術(shù)方案與國外同行一同打破了保持10年之久的超短激光脈沖世界紀(jì)錄；設(shè)計研制成功綜合性能先進(jìn)的系列飛秒激光器件。endprint

“平臺最吸引我的地方是，在這里不僅作為負(fù)責(zé)人的魏老師實(shí)力強(qiáng)大，其他老師的技術(shù)背景一樣厲害。這對我的研究工作有非常大的幫助，我可以在各個方面與他們合作，借鑒他們的經(jīng)驗(yàn)?！?/p>

“比如滕浩老師是飛秒激光器的專家，現(xiàn)在專做阿秒，所以他很清楚如何把這兩方面結(jié)合起來，我現(xiàn)在的很多工作都是借助他在飛秒上的研究經(jīng)驗(yàn)；賀新奎老師的研究比較偏向理論和計算，我們整套設(shè)備的設(shè)計、參數(shù)和方案的制定以及數(shù)據(jù)的分析都是賀老師的專長；還有方少波老師，他的研究方向是相干合成，這一技術(shù)是阿秒激光脈沖中非常重要的技術(shù)之一”。

“還有好多好多的老師，在我遇到困難的時候我都可以去請教他們，他們也愿意幫助我，這樣好的科研氛圍真的是可遇而不可求的。”

是的，在這里，趙昆找到了他想要的，接下來他堅信能做出他想做的。

最強(qiáng)的方法是交流

趙昆目前的工作集中于更寬光譜的阿秒脈沖的產(chǎn)生、高通量阿秒脈沖的產(chǎn)生以及加強(qiáng)超強(qiáng)超短飛秒激光的研制工作。

現(xiàn)有的阿秒脈沖的波長一般從十幾到幾納米。趙昆希望，可以將波長范圍向短波方向延伸至1納米甚至納米以下。這樣阿秒脈沖就進(jìn)入軟X射線波段，不僅有可能產(chǎn)生更短的脈沖，也將會有更加廣泛的應(yīng)用。目前主要通過對現(xiàn)有的阿秒束線進(jìn)行升級改造，利用現(xiàn)有飛秒激光，并引進(jìn)他在美國常教授小組時學(xué)到的技術(shù)，進(jìn)行消化吸收，首先把阿秒脈沖的中心波長從現(xiàn)在的15納米左右減至10納米以下，并增加光譜寬度；同時研制中紅外飛秒激光，用來將中心波長進(jìn)一步減至3至4納米。

另一方面，目前實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的阿秒脈沖的主要問題在于其通量太低，就是脈沖中的光子數(shù)目或者說總能量太低。這樣的低通量脈沖在應(yīng)用中有諸多的限制，因此產(chǎn)生高通量的阿秒脈沖具有重要的創(chuàng)新和應(yīng)用的意義。主要手段是通過提高用做驅(qū)動源的飛秒激光的脈沖能量來提高阿秒脈沖的通量。這主要有兩方面的工作：首先是超強(qiáng)超快飛秒激光的研制，其次是設(shè)計建造新一套可以診斷和測量高通量脈沖的阿秒束線。

飛秒激光作為阿秒脈沖的驅(qū)動光源，對波長、脈寬、脈沖能量、平均功率等技術(shù)指標(biāo)都提出了越來越高，甚至是越來越苛刻的要求，在這方面的有關(guān)激光物理和激光技術(shù)的研究工作已經(jīng)變得異常重要。目前的飛秒激光面臨的困境是超強(qiáng)脈沖（高達(dá)近200焦耳）不能做短，只能短至25飛秒左右；超短脈沖（可以短至1，2飛秒）不能做強(qiáng)，最多5到10毫焦耳。主要原因是產(chǎn)生超短脈沖使用的充氣空心光纖技術(shù)在能量上的限制，并且此技術(shù)在實(shí)用中也有能量損失大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)節(jié)困難、穩(wěn)定性差等諸多問題。而最新的固體材料展寬器則有可能解決這些問題?！耙源思夹g(shù)為基礎(chǔ)和核心，我們希望在超強(qiáng)又超短的飛秒脈沖產(chǎn)生方面獲得突破，為產(chǎn)生高通量的阿秒脈沖建造更強(qiáng)有力的飛秒驅(qū)動光源?！?/p>

然而做科研不能宅在實(shí)驗(yàn)室悶頭干，需要走出去與同行們多交流，尤其是我國在阿秒光學(xué)方面與歐美國家還有一定差距的時候。在一個國家或地區(qū)如果有幾個組能夠形成規(guī)模效益的話，對技術(shù)的進(jìn)步將會有很大的促進(jìn)作用。像北美，如今已經(jīng)有六個組開展廣泛的阿秒光學(xué)的研究工作，他們各有所長，既可以互相交流也可以互相合作?！氨热缒闳ヒ粋€組參觀看到了好的技術(shù)和方法你就可以學(xué)過來”。趙昆看到，國內(nèi)的阿秒光學(xué)起步較晚，希望進(jìn)一步推廣阿秒光學(xué)的研究，讓國內(nèi)更多的研究小組加入阿秒研究的行列，并且增加和國際上高水平研究組交流和互動的機(jī)會，未來國內(nèi)一定會建立這樣一個具有規(guī)模效益的科研環(huán)境。

有機(jī)會抓住機(jī)會，沒有機(jī)會創(chuàng)造機(jī)會，這是所有科研人必備的品德。為了更好地促進(jìn)交流活動，中國科學(xué)院物理研究所光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魏志義研究組2013年舉辦了“國際阿秒激光科學(xué)研討會”，2015年又主辦了第十屆國際超快光學(xué)會議”。趙昆說：“我們研究小組未來會爭取舉辦更多的會議，一個會議可以請來上百位國際專家，大家在會上和會下的交流非常多，這樣有助于促進(jìn)國內(nèi)學(xué)科的發(fā)展?！钡拇_，目前如果讓國內(nèi)的研究小組自費(fèi)到國外去參加會議，高昂的費(fèi)用不是人人都負(fù)擔(dān)得起的，“我們現(xiàn)在把專家請到了國內(nèi)，咱們國內(nèi)的同行們都來討論不是很好嗎？”

雖然舉辦會議比較耗費(fèi)精力，但是會議的價值是不可估量的，除了會議組里還會經(jīng)常派學(xué)生到國外的研究組學(xué)習(xí)?！皩W(xué)生去國外的研究組做實(shí)驗(yàn)可以學(xué)到很多東西，都是書本上學(xué)不到的?！睂?shí)際上，實(shí)驗(yàn)技術(shù)都是其過程中十分細(xì)碎的方法，可能就是習(xí)慣性的一個動作就決定了你實(shí)驗(yàn)的成敗，“這種細(xì)碎的經(jīng)驗(yàn)沒人會想到要告訴你，要完全靠你自己去觀察，學(xué)習(xí)和摸索。這個是需要傳承的，這也是我們堅持派學(xué)生出去學(xué)習(xí)的初衷。”

最大意義在未來

在如今這樣一個物欲橫流的年代，科研也往往被與利潤掛鉤，也經(jīng)常有人會問到趙昆研究阿秒的意義何在。

趙昆坦率地說：“我的研究沒有直接的明顯的社會效益。雖然我的研究的結(jié)果無法變成產(chǎn)出，但是它在科技發(fā)展的推動上的意義是不可限量的?！?/p>

當(dāng)年，趙昆所在的常增虎研究小組做出了刷新世界紀(jì)錄的67阿秒，在參加會議的時候，常有人問趙昆：“你為什么要研究這個67阿秒呢？它的意義是什么？”每當(dāng)這個時候，趙昆都會風(fēng)趣地反問：“劉翔百米跨欄奪金牌的意義是什么呢？”

的確如此，基礎(chǔ)研究并不能迅速帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和商業(yè)利潤，基礎(chǔ)研究的成果顯現(xiàn)往往需要較長的時間，少則幾年，多則幾十年，有的甚至要耗費(fèi)一個人的畢生精力或要經(jīng)過幾代人堅持不懈的努力。麥克斯韋為探索電磁場理論，整整用去了十多年時間。愛因斯坦思索狹義相對論和廣義相對論，各花費(fèi)了近十年時間，他把自己的后半生全部奉獻(xiàn)給了統(tǒng)一場論的研究，可至今仍沒有結(jié)果。為解決哥德巴赫猜想問題，幾代人為之奮斗，但至今仍未攻克這個“堡壘”。從事基礎(chǔ)研究的人員，必須要有“十年磨一劍”，“甘坐冷板凳”的精神，要學(xué)會“享受寂寞”，漠視金錢，不為名利所動。

換個角度想一想，趙昆說：“如果幾年之后，有人發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象，他要對這種現(xiàn)象做研究，這個研究必須要使用67阿秒的脈沖，那個時候他就可以直接使用我做出來的技術(shù)，直接投入研究工作，而不是耗費(fèi)時間先去做這個67阿秒。所以從這個技術(shù)意義的層面來說，技術(shù)永遠(yuǎn)要比目前的需求向前多走一步，只有這樣才能達(dá)到一個技術(shù)儲備效果。”

有人可能會問，以后真的會有人用到67阿秒嗎？趙昆舉了一個例子。

1962年，那是激光發(fā)明的第二年，科學(xué)家們在一起開會希望可以解開自己的困惑，“那時的激光只是一個正在尋找應(yīng)用的工具，它被發(fā)明出來，卻沒人知道它將被用在哪里”，但是如今，我們的周圍到處都是激光器，手機(jī)、電視、光碟機(jī)、超市掃描槍哪一個不是激光器的杰作呢？“今天還是曲高和寡的技術(shù)，誰知道哪一天就會變成一個應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)了。所以我們有一個非常明確的目標(biāo)就是要把阿秒做得更快更強(qiáng)，我們就在這個技術(shù)上往前走，至于我們現(xiàn)在發(fā)明的這項技術(shù)能不能馬上應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去，這可能確實(shí)是個問題?！?/p>

難道阿秒光學(xué)研究的意義就只能那么“飄忽”嗎？

“如果一定要給阿秒研究找個現(xiàn)實(shí)意義，我想應(yīng)該是人才的培養(yǎng)吧?！壁w昆說。

在采訪中，趙昆強(qiáng)調(diào)說，物理學(xué)的研究絕不單單是一個人的事情，它的復(fù)雜性決定了它需要全方位的技術(shù)支持，這也決定了每一位參與者都有機(jī)會獲得更全面的知識和技能?！斑@對培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、總結(jié)能力、解決問題的能力是非常有幫助的?！?/p>

趙昆認(rèn)為，對學(xué)生在不同階段的培養(yǎng)應(yīng)該有不同階段的要求，比如大學(xué)生階段是獲取知識的階段，基本的狀態(tài)為“我告訴你要什么，我告訴你怎么做”，大學(xué)生只要聽從老師的指導(dǎo)，學(xué)習(xí)怎樣做就好；到了研究生階段，“我告訴你要什么，你告訴我怎么做”就成了應(yīng)有的狀態(tài)，要能提出自己的建議，有意識的培養(yǎng)自己解決問題的能力；到了博士博士后階段，就應(yīng)該達(dá)到“你告訴我要什么，你告訴我怎么做”的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檫@個時候你必須具有獨(dú)立科研的能力。

我們看不見阿秒激光，但它卻能看到最微觀的世界；21世紀(jì)的今天，我們也許無法判斷趙昆研究的現(xiàn)實(shí)意義，但它卻有可能影響著離我們并不遙遠(yuǎn)的未來。endprint