以奮進鋒芒，見萬物之“光”
——記中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所研究員張輝

鄭 心 衛(wèi)婷婷

張輝

2023年4月20日，“2022中國光學(xué)十大進展”評選結(jié)果正式公布，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所（簡稱“上海光機所”）強場激光物理國家重點實驗室研究員張輝領(lǐng)銜的研究成果赫然在列。依托于上海超強超短激光實驗裝置（又名“羲和激光裝置”“SULF”)，他們在首輪磨合實驗中利用SULF-10PW激光轟擊微米金屬靶，在靶后法線鞘層加速機制下獲得了截止能量達62.5MeV的質(zhì)子束。這一結(jié)果已達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，并進入國際前列。未來通過進一步優(yōu)化，團隊有望獲得百MeV級的高能質(zhì)子束，切實推動激光質(zhì)子源在聚變能源、腫瘤治療等重要領(lǐng)域的應(yīng)用。

當(dāng)獲獎的消息第一時間傳回上海光機所時，張輝卻恍然未知，“當(dāng)時我正在羲和激光裝置上開展激光打靶的相關(guān)實驗”。在他眼中，科研獎項或榮譽的取得從來都是成果的“附屬品”，“只要研究成果足夠值得推廣，或能切實推動行業(yè)發(fā)展，贊譽自然紛至沓來。不過即便如此，我的個人榮譽與成果落地的效用相比，分量也是微不足道的”。因此多年來，他一直埋首在強場激光物理的研究一線，即便手下“操控”著世界上“最快的刀”“最亮的光”，甚至連太陽都難出其鋒芒，他也甘當(dāng)強光照射下站在“暗影”中的人?！案吣苜|(zhì)子束的能量還有提升的空間”，驚喜過后，他很快便開啟了對自己接下來職業(yè)生涯的謀篇布局。

在勠力前行中錨定理想

“始于好奇，臻于志趣”，回頭看，張輝成長、求學(xué)、投身科研的人生過往篇章大致可凝練為這8個字。高中時期，理學(xué)學(xué)科的優(yōu)異成績讓他萌發(fā)了一個繼續(xù)研學(xué)的目標，但理學(xué)專業(yè)分支眾多、覆蓋面極為廣泛，這時，自然科學(xué)的帶頭學(xué)科——研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本運動形式和規(guī)律的物理學(xué)，以其深厚底蘊吸引著張輝的注意。于是，高二時，已經(jīng)確定人生航向的他提前參加了高考，報考了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班。盡管失之東隅，以僅十幾分的差距不幸落榜，但收之桑榆，他在理學(xué)方面的天賦展現(xiàn)為其后投身科研打下了堅實的基礎(chǔ)。

一年后，張輝在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系揚帆逐夢。本科階段，激光驅(qū)動的慣性約束聚變相關(guān)知識令他著迷，這讓他對研習(xí)專業(yè)，即等離子體物理抱有持續(xù)且嚴謹認真的學(xué)習(xí)態(tài)度，不僅從未缺勤，還將課余時間大多花在教室與圖書館的“兩點一線”間。也正是這樣的刻苦鉆研，讓他得以認知到激光驅(qū)動慣性約束聚變的另一個重要研究方向——強場激光物理。這成為他奮斗至今的科研領(lǐng)域，也是他始終堅定的藍圖與理想。

20歲，當(dāng)多數(shù)人還在對未來的迷茫中苦苦打轉(zhuǎn)、掙扎的時候，張輝已經(jīng)開始跟隨李儒新院士在一系列重大科研項目中腳踏實地地積累和耕耘。“在保研到上海光機所之前，我就知道這里有國內(nèi)獨一無二的激光裝置和研究團隊”，從安徽到上海的“旅程”成為一位優(yōu)秀青年科技工作者與優(yōu)秀平臺之間的“雙向奔赴”。而對于導(dǎo)師李儒新院士的仰慕，張輝雖未過多宣之于口，但從其誠懇的神情與語氣中，還是不難讀出他對這位業(yè)界前輩工作態(tài)度及處世風(fēng)度的推崇，以及立志將他作為追尋榜樣的堅定。

學(xué)貴得師，2014年，得益于李儒新院士的教誨與自身努力，尚在就讀研究生的張輝就創(chuàng)新性地提出并驗證了一種基于800nm飛秒激光驅(qū)動激波加速窄能散離子束的新方案。這極大地加強了他的科研自信，因此在成功拿到博士學(xué)位后，他并未選擇出訪海外開展博士后研究，而是堅定地留在了上海光機所就“800nm飛秒激光驅(qū)動激波加速”方案繼續(xù)深研。這一過程歷時兩年之久，其間充斥著荊棘與坎坷——幾乎沒有任何的經(jīng)驗和技術(shù)做參考，還要獨立面對實驗需要的靶、探測器、監(jiān)測等裝置的設(shè)計與搭建。2016年，他在前期方案的基礎(chǔ)上進一步提出了輻射壓加速和激波加速相結(jié)合的混合加速方案，從而獲得了高流強、窄能散的質(zhì)子束，“正是之前的那些困境鍛造出了我的實驗?zāi)芰Α保绱苏f。

羲和10PW物理實驗平臺驗收

2016年對張輝而言是極為重要且獨特的一個年頭，對上海光機所而言也一樣。自2015年起，在李儒新院士的運籌下，超強超短激光裝置開始在浦東地區(qū)部署。經(jīng)過短短一年多時間，相關(guān)團隊就已將原本空空蕩蕩的實驗室成功改頭換面，建設(shè)起我國光學(xué)領(lǐng)域的大科學(xué)裝置，并在同年8月實現(xiàn)了5.4PW激光脈沖的放大輸出。對于這套超強超短激光實驗的國之重器，李儒新院士后來賦予了它一個詩意的名字——“羲和激光”。“羲和”是中國上古神話人物，傳說她生下了10個太陽，是締造光明的女神。而上海超強超短激光實驗裝置在2017年10月24日這一天率先實現(xiàn)了10PW激光的放大輸出，成功打破當(dāng)年的世界紀錄。要知道，此級別的能量約等于全球電網(wǎng)平均功率的5000倍，它聚焦產(chǎn)生的光強相當(dāng)于地球接收到的太陽總輻射聚焦到頭發(fā)絲大小對應(yīng)光強的10倍，“羲和”之名也由此而生?？梢哉f，上海光機所用現(xiàn)代科技詮釋出了國人心中亙古流長的美麗神話。隨著這一大科學(xué)裝置的各環(huán)節(jié)相繼竣工，浪漫逐步與科學(xué)融合，張輝的追“光”之旅，又迎來了全新的挑戰(zhàn)，從而翻開了極具創(chuàng)造性的科研新頁。

在國之重器上締造光明

“毫無疑問，大科學(xué)裝置將造就一批頂尖科學(xué)家?！边@是李儒新院士對領(lǐng)域內(nèi)人才輩出、薪火不息的美好期許，也是基于大科學(xué)裝置已展現(xiàn)出的優(yōu)勢從而做出的未來預(yù)判。作為李儒新院士的親傳弟子，張輝表示，絕不敢妄自夸大稱自己已躋身“頂尖科學(xué)家”行列，但這確確實實是他畢生所追求的職業(yè)光點。不過，這條“科研功夫”的進階之路，他要靠的不是“名氣”，而是“實績”。正如同“2022十大光學(xué)進展”所表彰的62.5MeV質(zhì)子束那樣，反復(fù)打磨、反復(fù)驗證，方能成器。

激光加速62.5MeV質(zhì)子束是利用羲和10PW激光轟擊4μm的銅靶獲得的，起主導(dǎo)作用的靶后法線鞘層加速機制，更是張輝團隊通過不斷測試、精準優(yōu)化激光參數(shù)（對比度、焦點、聚焦位置等）和靶參數(shù)（靶厚、靶材等）最終締結(jié)出的成果。據(jù)張輝介紹，用激光加速質(zhì)子相比于與傳統(tǒng)的加速手段有3個顯著特點：一為超高的加速梯度，可有效提高3～4個數(shù)量級，有望實現(xiàn)加速器小型化；二是超短的脈沖寬度，能激發(fā)生物flash效應(yīng)；最后當(dāng)數(shù)超高的瞬時通量?！斑@種緊湊而迅疾的激光質(zhì)子源在腫瘤治療和聚變能源等重要領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。目前，我們最耳熟能詳?shù)膽?yīng)用應(yīng)該是質(zhì)子腫瘤治療，質(zhì)子束傳輸存在獨特的布拉格峰，可以精準殺死癌細胞的同時保證正常細胞免受損害，被認為是效果最好的腫瘤治療手段之一，又稱‘質(zhì)子刀’。激光驅(qū)動質(zhì)子刀具有超高加速梯度和超快的特性，有望實現(xiàn)更低的治療成本和更好的療效。但是目前我們獲得的62.5MeV質(zhì)子能量離質(zhì)子治療腫瘤的200MeV還有一定的距離，需要我們繼續(xù)努力?！睆堓x寥寥幾句便概述了課題的“現(xiàn)在”與“未來”，這是在“過去”經(jīng)驗基礎(chǔ)之上沉淀的真知灼見。

張輝算是羲和建成后，投身相關(guān)研究的首批研究人員。自2016年他便開始負責(zé)10PW物理實驗平臺（又名“SULF超快亞原子物理研究平臺”）的設(shè)計、建設(shè)和驗收工作。平臺建設(shè)對于推動光學(xué)發(fā)展的意義不言而喻，但對應(yīng)的是，其中難度也超乎想象?！爱?dāng)激光達到10PW時，光束口徑會變得非常大，一度達到0.5m，如何在保證光束品質(zhì)的前提下實現(xiàn)如此大口徑光束的傳輸和聚焦，在當(dāng)時對我和團隊而言就是一個非常大的挑戰(zhàn)?！睘榇?，張輝苦思冥想、夙興夜寐，最終在超大口徑及高面型精度的光學(xué)元件上找到了破題要義。在進行獨特的設(shè)計加工后，為進一步實現(xiàn)激光束的傳輸和聚焦，他們還配備安裝了高精度調(diào)節(jié)的真空鏡架等元件。而到了探測方面，如何衡量百MeV質(zhì)子束，又成了一個避無可避的關(guān)卡。這一次，張輝及團隊都顯得更加從容不迫，在項目的實施過程中設(shè)計并加工了RCF堆棧和高性能湯姆遜譜儀，采用兩者相結(jié)合的方法解決了這一難點。“但比較棘手的問題其實是在驗收階段，”張輝回憶道，“剛開始進行打靶實驗無法觀測到較強的質(zhì)子信號，我們排查了很多原因，從靶場開始一路向上最終到激光器前端，才發(fā)現(xiàn)在主激光到達前有一串較強的預(yù)脈沖，我們將此預(yù)脈沖隔離后，激光加速質(zhì)子能量就獲得了明顯提升。”

如今，作為羲和裝置的3個實驗研究平臺之一，10PW物理實驗平臺主要用于開展羲和10PW激光與物質(zhì)相互作用的研究，并在2020年完成了驗收，成為國際上第一個10PW級物理實驗平臺。對于這個耗費了巨大心力的杰作，張輝不無驕傲。而后，依托此平臺，他又帶領(lǐng)團隊先后承擔(dān)了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項資助課題（簡稱“中國科學(xué)院先導(dǎo)專項”）與極端光物理線站等科研任務(wù)。

在中國科學(xué)院先導(dǎo)專項中，張輝團隊面對的是激光驅(qū)動聚變反應(yīng)和新物質(zhì)產(chǎn)生等重要目標，具體而言就是激光加速高能和高效的質(zhì)子束。高能量質(zhì)子束自不必說，利用羲和激光在靶后法線鞘層加速機制下獲得的62.5M e V高能質(zhì)子束已經(jīng)交上了完滿答卷，躋身國際前列；而在高效率質(zhì)子束方面，他們同樣頗有建樹。張輝首次利用3D打印微結(jié)構(gòu)靶實現(xiàn)高效質(zhì)子加速，微結(jié)構(gòu)激發(fā)的直接加速機制，能夠突破有質(zhì)動力加速的定標率，實現(xiàn)高效加速?！拔覀兝梦⒔z陣列靶獲得了8.7%的能量轉(zhuǎn)化效率，同樣達到國際領(lǐng)先水平?！睉{借系列成果，張輝獲得了“上海市啟明星”等榮譽稱號，但相比欣喜，他更多感到的是獎項帶來的激勵，“決不能抱著獎項裹足不前”是他的態(tài)度，“開啟新的、有挑戰(zhàn)的工作”則是他的行動。

當(dāng)前，基于啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)，超強超短激光裝置的峰值功率早已不滿足于10PW，100PW量級激光裝置的建設(shè)及其前沿應(yīng)用逐步成為業(yè)界為之傾目的國際研究熱點。上海光機所作為國內(nèi)光學(xué)領(lǐng)域的代表，自然不能“掉隊”，迅速建立起了“SHINE-SEL”項目，張輝作為關(guān)鍵系統(tǒng)負責(zé)人參與其中?！癝EL是全球唯一在建的百拍瓦級激光物理實驗裝置，立項的重要科學(xué)目標包括激光加速GeV質(zhì)子束。我當(dāng)下正在主持SEL靶場光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建，這一系統(tǒng)的主要難點在于兩處，一是要把激光聚焦到足夠小，另一個是聚光的橫向抖動要足夠小。但關(guān)關(guān)難過關(guān)關(guān)過，我們現(xiàn)在已經(jīng)完成了方案設(shè)計，通過了方案評審，下一步將計劃招標采購，奮力完成系統(tǒng)搭建?！睆堓x對于未來的每一步，心中十分清明，正如對激光質(zhì)子束的推廣計劃構(gòu)想一樣，抱負遠大又腳踏實地。

“激光質(zhì)子加速領(lǐng)域面臨的主要問題還是質(zhì)子束的品質(zhì)尚未達到實際應(yīng)用需求，單說距離腫瘤治療所需的200MeV質(zhì)子能量，就還有很大差距。但這個推廣方向是絕對正確的，激光質(zhì)子源的超高加速梯度和超快特性，極大概率可能在未來幫助患者實現(xiàn)‘魚與熊掌兼得’，用更低的治療成本獲取更好的療效。每當(dāng)聽到現(xiàn)在傳統(tǒng)加速器的高昂腫瘤治療費用，我都覺得是對自己的一記鞭策?！币惨虼?，張輝在團隊內(nèi)部制訂了就激光加速高品質(zhì)質(zhì)子源及應(yīng)用研究的深入計劃，立志突破100 MeV質(zhì)子能量的發(fā)展瓶頸。

所幸，隊內(nèi)全員一心、自由活潑的學(xué)術(shù)氛圍讓張輝極為心安。這支由1名研究員、2名博士后、5名研究生組成的小團隊，平均年齡也不過30歲，無疑是一支年輕有活力的潛力團隊，是賡續(xù)光學(xué)基因的新鮮血液。據(jù)張輝描述，團隊成員平時待在一起的時間很長，幾乎每一次激光質(zhì)子加速實驗都是全員上陣，大家可以在任意環(huán)節(jié)、任意時間恣意發(fā)揮自身優(yōu)勢、發(fā)表自己觀點，即便有爭論也僅限學(xué)術(shù)層面?！岸写四哿Φ暮诵囊蛩卦谟?，我們有著共同的科研理想：勠力同心提升我國激光質(zhì)子源方面的國際競爭力，聚力開拓激光質(zhì)子源的應(yīng)用場景，讓幾倍于太陽的光輝走下神壇，令萬物向‘光’生長?！睆堓x說。